● 摘要
随着航空发动机性能的不断提高，发动机高温部件的工作温度越来越高，使得高温部件长期处于恶劣工作环境下。同时高负荷气动设计和燃烧效率的提高使得高温部件经常工作在宽带的随机机械载荷和热载荷的环境中。复杂气动载荷、热载荷、以及温度引起的材料性能退化等综合作用下，导致结构出现疲劳裂纹甚至破坏。因此，在结构中采用阻尼技术和隔热技术是降低振动应力和热应力至可接受水平最有效的途径。在高温环境下，金属橡胶材料具有极好的力学性能和热稳定性，并且热传导系数低，能有效的起到隔热减小结构热应力的作用，突破了常规阻尼材料性能受温度和隔热材料受承载能力的限制，适用于先进发动机的高温、高负荷和复杂力学环境的要求。本文从理论机理分析和试验验证两方面对金属橡胶材料在受压状态下的力学性能进行了完整、系统的研究，以及对热物理性能进行了开创性的研究，建立了金属橡胶材料的本构关系、阻尼模型、热膨胀和热传导分析模型，并得到了关键参数对各性能的影响规律。针对金属橡胶材料加工工艺特点，建立了金属丝螺旋卷为金属橡胶的基本细观微元体结构。根据圆柱面压缩弹簧理论，分析了纵向和横向排列微元体结构的刚度特征，在此基础上考虑摩擦力的影响建立了加载/卸载时微元体单元之间三种接触状态的力学模型。通过不同接触状态贡献系数随应变的变化规律，建立了不同成型方向金属橡胶受压状态下加载/卸载的本构关系以及阻尼模型。从理论上解释了金属橡胶应力-应变非线性以及迟滞特性机理。试验研究了金属橡胶材料不同工艺参数、热处理前后和温度载荷参数的金属橡胶材料受压力学特性，验证了本文所提出理论模型的适用性，从理论上通过各接触状态的力学特性和变化规律解释了各参数对弹性模量和阻尼特性的影响规律。基于螺旋卷微元体结构的金属橡胶受压状态下本构关系和阻尼模型的理论与试验分析，形成了金属橡胶材料受压状态力学性能的设计技术。金属橡胶材料从组分上可以看作是一种由金属丝和空气组成的两相多孔材料，从螺旋卷按照一定编织方式的制作工艺上类似于一种编织型复合材料。以两种排列微元体结构的热膨胀性能为基础，分析了三种接触状态的热膨胀特性，基于Schapery模型，建立了金属橡胶热膨胀模型，从理论上解释了金属橡胶低热膨胀系数的产生的机理。试验测试了加热循环、相对密度、温度对金属橡胶热膨胀系数的影响规律。根据金属橡胶基本组分的传热模式，研究了金属橡胶的传热过程。基于傅立叶定律及导热的微分方程，利用热电比拟法和有限元法，建立了金属橡胶的导热分析模型，并试验验证了温度和相对密度对金属橡胶导热系数的影响规律，证明了理论模型的适用性。采用本文针对力学性能提出的理论和方法，对高速旋转机械系统进行了隔振设计，通过对金属橡胶构件刚度和损耗因子的合理设计，将结构振动响应水平大幅降低，取得了较好的减振效果。