CN110082200A - 一种橡胶疲劳拉伸试验台及橡胶疲劳拉伸试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种橡胶疲劳拉伸试验台及橡胶疲劳拉伸试验方法，所述试验台由执行机构、数据采集系统和控制系统三部分组成，所述执行机构包括总体固定架、力传感器、左夹具、右夹具、滑台、支撑杆、丝杠、滑台底座、联轴器、伺服电机；所述控制系统包括数据采集卡、计算机、人机交互界面、PLC控制系统；所述控制系统通过PLC控制系统来控制伺服电机的转速和方向，进而控制左夹具和右夹具对橡胶试样进行加载；本发明整体系统构成简易，可操控性强，人机交互性良好；此外，采用本发明的橡胶疲劳拉伸试验方法获得的橡胶的疲劳拉伸模型，相对于现有技术也更加精确。

Description

一种橡胶疲劳拉伸试验台及橡胶疲劳拉伸试验方法

技术领域

本发明涉及一种橡胶疲劳拉伸试验台及橡胶疲劳拉伸试验方法。

背景技术

橡胶作为一种不可替代的弹性材料已经有160多年的应用历史，在国防建设和经济建设中得到广泛应用。橡胶不仅是生活中不可缺少的物质，也是发展高新技术所必需的高性能材料和功能性材料。为达到减振降噪、柔韧耐磨的目的，橡胶常与金属复合制成弹性元件，这些弹性元件在许多高精尖领域广泛应用。橡胶构件通常在周期应力下工作，橡胶材料的疲劳断裂性能往往决定构件的疲劳寿命。随着橡胶制品的使用条件日益苛刻，橡胶疲劳失效问题日益突出，亟需解决。为了保证橡胶构件的安全性和可靠性，对橡胶材料的疲劳特性的测试具有重要的意义。

CN202974674U，橡胶疲劳试验台，公开了一种橡胶疲劳试验台包括上梁、摆臂、试件压板、试件底座、下梁、电机和试验台底座；其中，试件压板和试件底座之间具有间距，试件压板通过上导杆和下导杆连接在上梁上；上导杆上套有导杆滑套和压簧，压簧的上方具有压簧丝杠；摆臂位于上梁和下梁之间，试件底座位于下梁上的力传感器上；摆臂上具有锁紧螺钉；摆臂通过连杆与电机带动的偏心皮带轮连接，偏心皮带轮上连接有差速器。其测试数据准确，工作噪音小，可不间断测试，同时，可通过电脑和控制系统对其进行控制，更数字化，自动化。该技术方案采用上下结构，对控制系统如何应用几乎没有描述。

发明内容

本发明的目的在于方便快捷的测试橡胶的疲劳性能，提供了一种含有测力功能的橡胶拉伸试验台，而且还提供一种应用该试验台的橡胶疲劳拉伸试验方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种橡胶疲劳拉伸试验台，由执行机构、数据采集系统和控制系统三部分组成，所述执行机构包括总体固定架1、力传感器2、左夹具3、右夹具4、滑台5、支撑杆6、丝杠7、滑台底座8、联轴器9、伺服电机10；所述左夹具3通过固定支架和螺栓安装在力传感器2上，力传感器2通过螺栓安装在总体固定架1的传感器安装立柱上；右夹具4通过螺栓安装在滑台5上，滑台5中间加工有螺纹孔，螺纹孔的两边各有一个光孔；滑台5安装在支撑杆6和丝杠7上，当丝杆7转动时，滑台5可以带动右夹具4左右移动。丝杠7通过联轴器9与伺服电机10的转轴相连；伺服电机10通过自带的安装孔安装在滑台底座8上；滑台底座8通过螺栓固定在总体固定架1上；所述控制系统包括数据采集卡、计算机、人机交互界面、PLC控制系统；所述控制系统通过PLC控制系统来控制伺服电机10的转速和方向，进而控制左夹具3和右夹具4对橡胶试样进行加载；所述数据采集系统包括电源、ART数据采集卡、电路放大器，所述电路放大器与力传感器2相连，所述ART数据采集卡通过通讯接口与USB相连。

作为本发明的进一步方案，所述力传感器用于测量橡胶试样初始受力，保证初始受力的值尽量小；为了保护试验台，所述滑台5往返时有0.1s的停顿，减小惯性冲击。

作为本发明的进一步方案，在所述人机交互界面下方设有正弦波、三角波、方波三种加载模块，中部设有初始行程、行程、周期、螺纹轴直径、螺距参数输入模块，上部设有启动、回零、清零模块，右上角设有速度实时监测模块；通过在人机交互界面上设置参数。

作为本发明的进一步方案，所述力传感器，最大可以测量5000N的力，力传感器2的信号通过ART数据采集卡采集并传输到计算机。

一种应用该试验台的橡胶疲劳拉伸试验方法，步骤1，在所述橡胶疲劳拉伸试验台上试验获取多组不同伸长比的橡胶试件的裂纹生长速率dl/dN；步骤2，选取Thomas模型作为橡胶材料的疲劳模型：T_max＝2k(λ)lE₀，获得多组不同伸长比的橡胶试件的最大撕裂能，其中T_max是周期循环中出现的最大撕裂能，E₀为没有预置切口的橡胶试件的应变能密度，l为预置切口的长度，λ为伸长比(λ＝1+ε，ε为应变)；步骤3，在多组不同伸长比的试件得到裂纹扩展速率dl/dN和撕裂能T_max之后，通过最小二乘法将模型转化成对数形式lg(dl/dN)＝lg B+F lgT_max，得到参数B、F；步骤4，将用户指定参数与试验得到的参数代入橡胶材料从初始裂纹l₀扩展到失效裂纹lc的疲劳寿命公式N：

即得。

作为本发明的进一步方案，所述步骤1分为：步骤1a，选取片状橡胶试样，在所述运动执行机构上夹紧固定，所述左夹具3和右夹具4的距离为20mm，所述力传感器2测得的橡胶初始受力的值尽量小；步骤2b，在试验前，通过所述人机交互界面在所述PLC控制器编程，设定加载模块以及参数输入模块，设定所述滑台5在往返时有0.1s的停顿，减小惯性冲击；步骤3c，在所述人机交互界面按下启动模块，所述控制系统通过所述PLC控制器根据用户输入的参数控制所述运动执行机构对橡胶试样进行循环加载；步骤4d，循环试验开始之后，当循环一定次数时，通过刻度观察到裂纹增长到2mm左右时，按下停止按钮，取出橡胶试片，通过上面的刻度精读出裂纹增长的长度l，并查看人机交互界面上的循环加载次数N，则该试片的裂纹增长速度的计算公式为

作为本发明的进一步方案，步骤2中，运用有限元仿真软件ABAQUS，根据试验参数构建橡胶试样有限元模型，模拟获得无预置切口的橡胶受拉时的应力、应变分布，并且可以直接在有限元软件中计算得到多组不同伸长比的橡胶试件的应变能密度E₀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：橡胶疲劳拉伸试验台的整体系统构成简易，可操控性强，人机交互性良好；运动执行机构采用往复式夹具结构，结构简单，易于操作，在其上设有力传感器可保证橡胶试样初始受力的值尽量小；为了保护试验机，滑台往返时有0.1s的停顿，可以减小惯性冲击；此外，采用本发明的橡胶疲劳拉伸试验方法获得的橡胶的疲劳拉伸模型，相对于现有技术也更加精确。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中的控制系统示意图；

图3为本发明中的人机交互界面实物图；

图4为本发明中的数据采集系统接线图；

图5为填充天然橡胶材料裂纹扩展速率的4个阶段。

图6为Thomas模型中裂纹增长与撕裂能的关系示意图。

图7为超弹性模型选择示意图。

图8为应力-应变输入示意图。

图9为超弹性模型的各项系数示意图。

图10为ε＝0.25载荷下有限元分析结果示意图。

图11为橡胶试样有限元模型中间单元应变能密度分布示意图。

图12为裂纹扩展速度与撕裂能变化曲线示意图。

图13为拟合裂纹扩展模型示意图。

具体实施方式

首先，详细说明以下本发明橡胶拉伸试验台的具体结构。

参见图1，在本发明实施例中一种橡胶疲劳拉伸试验台，由执行机构、数据采集系统和控制系统三部分组成，所述执行机构包括总体固定架1、力传感器2、左夹具3、右夹具4、滑台5、支撑杆6、丝杠7、滑台底座8、联轴器9、伺服电机10；所述左夹具3通过固定支架和螺栓安装在力传感器2上，力传感器2通过螺栓安装在总体固定架1的传感器安装立柱上；右夹具4通过螺栓安装在滑台5上，滑台5中间加工有螺纹孔，螺纹孔的两边各有一个光孔；滑台5安装在支撑杆6和丝杠7上，当丝杆7转动时，滑台5可以带动右夹具4左右移动。丝杠7通过联轴器9与伺服电机10的转轴相连；伺服电机10通过自带的安装孔安装在滑台底座8上；滑台底座8通过螺栓固定在总体固定架1上；参见图2，所述控制系统包括数据采集卡、计算机、人机交互界面、PLC控制系统；所述控制系统通过PLC控制系统来控制伺服电机10的转速和方向，进而控制左夹具3和右夹具4对橡胶试样进行加载；所述数据采集系统包括电源、ART数据采集卡、电路放大器，所述电路放大器与力传感器2相连，所述ART数据采集卡通过通讯接口与USB相连。

参见图3，在所述人机交互界面下方设有正弦波、三角波、方波三种加载模块，中部设有初始行程、行程、周期、螺纹轴直径、螺距参数输入模块，上部设有启动、回零、清零模块，右上角设有速度实时监测模块；通过在人机交互界面上设置参数，所述控制系统通过所述PLC控制器来控制所述伺服电机5的转速和方向，进而控制所述运动执行机构进行一定规律的往复运动。

下面详细介绍一下橡胶疲劳拉伸试验方法。

橡胶疲劳拉伸试验方法包括定变形疲劳试验和定载荷疲劳试验，本发明采用定变形疲劳试验，分别进行10％、15％、20％、25％、30％的应变循环加载。

试验在设定温度下进行，夹具夹紧橡胶试样后，应确保：(1)夹具之间的距离为20mm；(2)力传感器测得的橡胶初始受力的值尽量小。(3)根据加载大小调节行程、速度等参数。为了保护试验机，滑台往返时有0.1s的停顿，减小惯性冲击。

循环试验开始之后，当循环一定次数时，通过刻度观察到裂纹增长到2mm左右时，按下停止按钮，取出橡胶试片，通过上面的刻度精读出裂纹增长的长度l，并查看人机交互显示屏上的循环加载次数N，则该试片的裂纹增长速度的计算公式为

等幅循环加载下的橡胶裂纹生长速度和撕裂能峰值的关系可以分为4个阶段，模型如下：

其中：T₀、T_t、T_c分别为阈值撕裂能、转折撕裂能和临界撕裂能；r_z为撕裂能峰值小于T₀时的裂纹扩展速度；A、B、F为与材料有关的常数。上述四个阶段如图5所示。

在实际工程应用中，橡胶制品的受载大多处于阶段Ⅱ和阶段Ⅲ中，因此忽略阶段Ⅰ中裂纹缓慢生长的过程，同时将阶段Ⅳ中裂纹迅速增加的过程极限化将建模重点放在阶段Ⅱ和阶段Ⅲ上。模型如下：

其中，F是幂级数，T_max是周期循环中出现的最大撕裂能，T_c为裂纹失稳开始迅速扩展对应的临界撕裂能，r_c为临界撕裂能对应的临界生长速率。

由模型可知，在裂纹扩展阶段，裂纹扩展速度与撕裂能有如下关系：

对两边取对数，有下式

Thomas模型直观简单，模型参数容易确定，本文选用Thomas模型作为橡胶材料的疲劳模型，Thomas模型裂纹增长与撕裂能的关系曲线如图6所示。构建裂纹生长模型的关键是测得橡胶的撕裂能，单侧切口拉伸试样的撕裂能可由以下公式计算得到：

T_max＝2k(λ)lE₀ (5)

式中，E₀为没有预置切口的橡胶试件的应变能密度，可以通过有限元分析软件计算得到；l为预置切口的长度，λ为伸长比(λ＝1+ε，ε为应变)；k(λ)为与应变有关的系数，可以用下式来计算：

将式(6)代入式(5)，可得：

结合式(3)(4)(7)，可以获得裂纹扩展所需的循环周期数：

N即为橡胶材料从初始裂纹l₀扩展到失效裂纹l_c的疲劳寿命。

在该疲劳寿命预测模型(8)中，未知参数有B、F、E₀、l₀、l_c、λ。当用户需要预测裂纹长度从a mm至b mm时的橡胶循环寿命N次，则令l₀＝a、l_c＝b，λ为待预测材料的伸长比，λ＝1+ε，ε为应变，均由用户指定。

B、F是式(1)疲劳模型中第三阶段(T_t≤T_max＜T_c)的两个参量，在多组不同伸长比的试件得到的裂纹扩展速率和撕裂能T_max之后，将模型转化成对数形式通过最小二乘法拟合直线得到。

裂纹扩展速率可以从试验台读取，撕裂能T_max通过式(7)获得。

E₀为没有预置切口的待预测寿命橡胶试件的应变能密度，可以通过有限元软件获取。

橡胶材料力学行为比较复杂，本构关系具有高度的非线性。其非线性可分为以下三类：1)静载作用下的超弹性行为；2)循环载荷作用下的粘弹性行为；3)预应力作用下的软化现象。

本发明需要构建橡胶材料的超弹性本构模型，该模型需要进行试验获得应力、应变，最终进行拟合得到模型参数。橡胶材料超弹性本构模型的选择直接影响到有限元仿真结果的准确性，不同橡胶材料或工况下选择的超弹性本构模型也不相同，因此需要根据情况选用合适的模型。常用的橡胶材料本构模型有Mooney-Rivlin、Yeoh、Ogden模型等。

例如用ABAQUS软件进行超弹性本构模型的拟合，首先在Property模块的Material菜单下点击Create，首先选择一种本构模型如图7所示。

然后可以输入应力-应变数据如图8所示。

通过软件的Evaluate功能，可以得到本构模型的各项材料系数如图9所示。

运用有限元仿真软件ABAQUS，根据试验参数构建橡胶试样有限元模型，模拟获得无预置切口的橡胶受拉时的应力、应变分布，并且可以直接在有限元软件中计算得到应变能密度，用于计算撕裂能。图10为橡胶试件应力和应变能密度云图：

在试验中，由于预置切口的存在，切口尖端会产生应力集中，产生裂纹，因此不考虑有限元模拟中产生应力集中的区域，而是采用模型中间单元的仿真数据。从图11中可以看出ε＝0.25时的应变能密度为0.275mJ/mm³。

进行橡胶破坏试验是为了获得橡胶试件的破坏撕裂能T_c。本试验台除了可以自动加载，还可以手动加载，对橡胶试件持续加载至橡胶断裂。从橡胶裂纹以可见速度扩展到橡胶断裂这个过程非常快，应变的变化也非常小，因此以此方法测到的破坏撕裂能是有效的。经过多次试验，橡胶在大约85％应变加载下裂纹会迅速扩展并断裂。

通过计算多组不同伸长比的橡胶试件的应变能密度E₀，可以得到表1所示的多组数据

表1橡胶试样不同加载下应变能密度(单位:mJ/mm³)

进行多次试验后，试验结果如表2和3所示：

表2第1组试件测得数据

表3第2组试件测得数据

表中ε为材料的应变；λ＝1+ε；dl/dN为裂纹扩展速率；T_max为撕裂能。

裂纹扩展速度与撕裂能T_max的变化关系如图12所示。

根据试验数据，通过最小二乘法拟合出橡胶裂纹生长模型，如图13所示。

拟合出来的曲线方程如下：

构建裂纹扩展模型：

其中，T_c＝323908.2J/m²，B＝6.78×e^-15，F＝1.68

方程(10)即为通过试验获得的橡胶的疲劳寿命模型，该模型可以为后续分析、计算复杂橡胶制品的疲劳寿命提供所需要的参数。

Claims (7)

1.一种橡胶疲劳拉伸试验台，由执行机构、数据采集系统和控制系统三部分组成，其特征在于：所述执行机构包括总体固定架(1)、力传感器(2)、左夹具(3)、右夹具(4)、滑台(5)、支撑杆(6)、丝杠(7)、滑台底座(8)、联轴器(9)、伺服电机(10)；所述左夹具(3)通过固定支架和螺栓安装在力传感器(2)上，力传感器(2)通过螺栓安装在总体固定架(1)的传感器安装立柱上；右夹具(4)通过螺栓安装在滑台(5)上，滑台(5)中间加工有螺纹孔，螺纹孔的两边各有一个光孔；滑台(5)安装在支撑杆(6)和丝杠(7)上，当丝杆(7)转动时，滑台(5)可以带动右夹具(4)左右移动。丝杠(7)通过联轴器(9)与伺服电机(10)的转轴相连；伺服电机(10)通过自带的安装孔安装在滑台底座(8)上；滑台底座(8)通过螺栓固定在总体固定架(1)上；所述控制系统包括数据采集卡、计算机、人机交互界面、PLC控制系统；所述控制系统通过PLC控制系统来控制伺服电机(10)的转速和方向，进而控制左夹具(3)和右夹具(4)对橡胶试样进行加载；所述数据采集系统包括电源、ART数据采集卡、电路放大器，所述电路放大器与力传感器(2)相连，所述ART数据采集卡通过通讯接口与USB相连。

2.根据权利要求1所述的橡胶疲劳拉伸试验台，其特征在于：所述力传感器(2)用于测量橡胶试样初始受力，保证初始受力的值尽量小；为了保护试验台，所述滑台(5)往返时有0.1s的停顿，减小惯性冲击。

3.根据权利要求1所述的橡胶疲劳拉伸试验台，其特征在于：在所述人机交互界面下方设有正弦波、三角波、方波三种加载模块，中部设有初始行程、行程、周期、螺纹轴直径、螺距参数输入模块，上部设有启动、回零、清零模块，右上角设有速度实时监测模块；通过在人机交互界面上设置参数。

4.根据权利要求1所述的橡胶疲劳拉伸试验台，其特征在于：所述力传感器(2)，最大可以测量5000N的力，力传感器(2)的信号通过ART数据采集卡采集并传输到计算机。

5.一种采用如权利要求1-4所述的橡胶疲劳拉伸试验台的橡胶疲劳拉伸试验方法，其特征在于，

步骤1，在所述橡胶疲劳拉伸试验台上试验获取多组不同伸长比的橡胶试件的裂纹生长速率dl/dN；

步骤2，选取Thomas模型作为橡胶材料的疲劳模型：T_max＝2k(λ)lE₀，获得多组不同伸长比的橡胶试件的最大撕裂能，其中T_max是周期循环中出现的最大撕裂能，E₀为没有预置切口的橡胶试件的应变能密度，l为预置切口的长度，λ为伸长比(λ＝1+ε，ε为应变)；

步骤3，在多组不同伸长比的试件得到裂纹扩展速率dl/dN和撕裂能T_max之后，通过最小二乘法将模型转化成对数形式lg(dl/dN)＝lgB+FlgT_max，得到参数B、F；

步骤4，将用户指定参数与试验得到的参数代入橡胶材料从初始裂纹l₀扩展到失效裂纹lc的疲劳寿命公式N：

即得。

6.根据权利要求5所述的橡胶疲劳拉伸试验方法，其特征在于，所述步骤1分为：

步骤1a，选取片状橡胶试样，在所述运动执行机构上夹紧固定，所述左夹具(3)和右夹具(4)的距离为20mm，所述力传感器(2)测得的橡胶初始受力的值尽量小；

步骤2b，在试验前，通过所述人机交互界面在所述PLC控制器编程，设定加载模块以及参数输入模块，设定所述滑台(5)在往返时有0.1s的停顿，减小惯性冲击；

步骤3c，在所述人机交互界面按下启动模块，所述控制系统通过所述PLC控制器根据用户输入的参数控制所述运动执行机构对橡胶试样进行循环加载；

步骤4d，循环试验开始之后，当循环一定次数时，通过刻度观察到裂纹增长到2mm左右时，按下停止按钮，取出橡胶试片，通过上面的刻度精读出裂纹增长的长度l，并查看人机交互界面上的循环加载次数N，则该试片的裂纹增长速度的计算公式为

7.根据权利要求5所述的橡胶疲劳拉伸试验方法，其特征在于，步骤2中，运用有限元仿真软件ABAQUS，根据试验参数构建橡胶试样有限元模型，模拟获得无预置切口的橡胶受拉时的应力、应变分布，并且可以直接在有限元软件中计算得到多组不同伸长比的橡胶试件的应变能密度E₀。