防振橡胶材料疲劳寿命研究方法综述

摘要：防振橡胶因其具有很大的弹性和良好的绝缘性、可塑性、隔水隔气等特点，广泛应用于汽车工业、国防、建筑等领域。防振橡胶材料的疲劳寿命理论与技术研究对于提高防振橡胶产品耐久性的设计和制造具有重要意义。针对防振橡胶产品的工作特点，指出防振橡胶材料疲劳特性分析的技术难点。从橡胶的疲劳裂纹萌生法、疲劳裂纹扩展法和疲劳损伤法三个角度综述目前橡胶材料疲劳特性的研究进展。针对国内外橡胶疲劳特性研究现状，提出在橡胶疲劳特性研究中应考虑橡胶材料在疲劳载荷作用下特有的Mullins效应、永久变形、循环应力软化等非线性特性，并指明基于连续损伤力学的疲劳损伤法更便于解决复杂疲劳载荷下橡胶材料和结构的疲劳损伤和寿命预测问题。

关键词：塑料、橡胶和纤维；疲劳寿命；裂纹萌生；裂纹扩展；疲劳损伤

中图分类号：TQ333； TB39 文献标志码：A

文章编号：1008-1542（2016）04-0329-06

Abstract：Anti-vibration rubber， because of its superior elasticity， plasticity， waterproof and trapping characteristics， is widely used in the automotive industry， national defense， construction and other fields. The theory and technology of predicting fatigue life is of great significance to improve the durability design and manufacturing of anti-vibration rubber products. According to the characteristics of the anti-vibration rubber products in service， the technical difficulties for analyzing fatigue properties of anti-vibration rubber materials are pointed out. The research progress of the fatigue properties of rubber materials is reviewed from three angles including methods of fatigue crack initiation， fatigue crack propagation and fatigue damage accumulation. It is put forward that some nonlinear characteristics of rubber under fatigue loading， including the Mullins effect， permanent deformation and cyclic stress softening， should be considered in the further study of rubber materials. Meanwhile， it is indicated that the fatigue damage accumulation method based on continuum damage mechanics might be more appropriate to solve fatigue damage and life prediction problems for complex rubber materials and structures under fatigue loading.

Keywords：plastics， rubber and fiber； fatigue life； crack nucleation； crack growth； fatigue damage

防振橡胶可以制成用于防止或缓冲振动和冲击传递的橡胶产品[1]，是由金属和防振橡胶材料复合而成的弹性-阻尼元件。防振橡胶材料因其具有很大的弹性和良好的绝缘性、可塑性、隔水隔气等特点，广泛应用于汽车工业、国防、建筑等领域。2014年底，美国著名的国际市场研究机构Freedonia集团发布的一项报告称，中国对橡胶制品的需求预计将以每年8.8%的速率增长，2017年将达到7 400亿元人民币，尤其是工业机械和汽车行业。

1防振橡胶的特点

1）基体材料多为填充天然橡胶（natural rubber，NR）材料。橡胶是一种近似不可压缩、高弹性和具有非线性应力-应变关系的聚合物，由于填充物（如炭黑、硫磺等）的加入，增加了其非线性特性。NR橡胶是一种典型的具有拉伸应变结晶效应的橡胶材料。

2） 防振橡胶发生疲劳破坏的部分多为其基体橡胶材料。通过硫化工艺和黏结工艺，防振橡胶材料和金属之间形成的黏合层黏合强度一般高于橡胶本身的强度，因此在机械载荷作用下，防振橡胶元件的失效通常不是由于橡胶和金属之间的撕裂破坏，而是由于基体橡胶材料发生疲劳破坏而出现结构的功能性失效。

3） 防振橡胶承受较大的预载，同时长期承受复杂的多轴载荷作用，表现出复杂的疲劳失效行为和材料性能退化特征。

2对防振橡胶材料疲劳特性研究难点

1） 分析防振橡胶元件所处的多轴疲劳载荷工况，开展相应的多轴疲劳试验。实际的多轴疲劳载荷至少有2个方向的应力独立随时间变化，其变化可以是同相位、比例的，也可以是非同相位、非比例的[2]。相对于单轴疲劳而言，多轴疲劳无论在力学、试验研究乃至物理机制方面都更为复杂。要开展多轴载荷工况下防振橡胶的疲劳试验，需要较复杂的多轴疲劳试验设备和进行大量的试验测试研究。