金属橡胶设计理论

本书全面系统地介绍了在高端装备减振缓冲领域中广泛应用的金属橡胶材料的设计理论及其相关工程应用。全书共四部分：第一部分(第1章)为金属橡胶概论，主要介绍金属橡胶的制备工艺流程，并对其在虚拟成形仿真技术和性能表征理论模型方面的发展进行分析与探讨，最后总结金属橡胶在主要工业领域的应用情况；第二部分(第2~4章)为金属橡胶正向设计技术，详细介绍金属橡胶虚拟制备成形的具体方法，并基于有限元分析技术深入探究材料的结构分布特性以及制备工艺参数的敏感性；第三部分(第5~8章)为金属橡胶性能表征理论，结合金属橡胶的正向设计方法和有限元技术，推导金属橡胶的相关性能表征理论模型，内容涵盖其刚度本构模型、阻尼迟滞机理、迟滞动力学模型及力学性能研究和热物理性能研究这几方面；第四部分(第9章)为金属橡胶的工程应用，以仿真和理论为依托，在相应工程背景下解决工程实际难题，为金属橡胶在工程领域的应用提供了具体的解决方案。
本书适合结构动力学、非线性振动、减振缓冲等领域的研究者和工程技术人员阅读参考，也可作为相关专业的高年级本科生、研究生的教材或学习参考书。

2021.12至今 福州大学机械工程及自动化学院 院长助理

第1章 绪论 1
1.1 金属橡胶的概念 1
1.2 金属橡胶制备工艺概述 2
1.2.1 丝材准备 3
1.2.2 毛坯制作 5
1.2.3 冲压和滚压成形 7
1.2.4 后期处理 8
1.3 金属橡胶设计理论研究概述 10
1.4 金属橡胶性能表征理论模型研究概述 15
1.4.1 金属橡胶刚度本构模型研究 16
1.4.2 金属橡胶阻尼表征理论模型研究 17
1.4.3 金属橡胶热物理性能模型研究 19
1.5 金属橡胶主要应用领域概述 20
1.5.1 阻尼减振 21
1.5.2 吸声降噪 21
1.5.3 节流调压 22
1.5.4 热管技术 22
1.5.5 密封技术 23
1.5.6 过滤技术 24
1.5.7 生物医疗 25
1.5.8 电磁应用 25
参考文献 27
第2章 金属橡胶毛坯线匝空间分布模型 32
2.1 空间任意分布螺旋线匝参数化模型的构建 32
2.1.1 建模方法 32
2.1.2 参数化方程 33
2.2 以缠绕工艺构建金属橡胶毛坯路径 35
2.3 以铺设工艺规划金属橡胶毛坯路径 37
2.3.1 铺设工艺规则 37
2.3.2 铺设毛坯优化问题及目标函数构建 38
2.3.3 路径规划编码方式及多目标遗传算法应用 40
2.3.4 经验铺设与优化铺设对比 42
2.4 金属橡胶毛坯数值模型的修正 43
参考文献 46
第3章 金属橡胶虚拟成形 47
3.1 金属橡胶有限元虚拟成形的计算条件 47
3.1.1 材料属性及制备参数的定义 47
3.1.2 有限元单元划分 48
3.1.3 模型接触问题 49
3.1.4 边界条件与加载设置 51
3.2 冲压成形预估及模型可靠性验证 52
3.2.1 金属橡胶虚拟制备模型 52
3.2.2 冲压试验及宏观组织结构对比 53
3.2.3 成形过程预估 55
3.2.4 成形尺寸及回弹量预估 55
参考文献 57
第4章 金属橡胶细观拓扑结构分布特性 58
4.1 材料组织分布特征 58
4.2 微元空间指向角分布特征 61
4.3 线匝接触特征动态追踪 63
4.3.1 基于小球算法的线匝间接触状态动态追踪 63
4.3.2 基于元胞组模型的金属橡胶复杂结构动态重构 66
4.3.3 线匝接触点预估与接触状态的动态追踪结果 69
参考文献 71
第5章 基于细观结构的金属橡胶刚度本构模型研究 72
5.1 金属橡胶的复杂非线性本构特性分析 72
5.2 微元弹簧单元体的空间随机分布模型 73
5.3 微元空间几何拓扑结构的分析与讨论 76
5.3.1 微元空间分布规律 76
5.3.2 摩擦形态演化规律 78
5.4 金属橡胶微元无序式随机组合的分析与讨论 81
5.5 金属橡胶本构关系 81
5.6 试验结果与讨论 83
5.6.1 试验流程 83
5.6.2 模型验证 84
参考文献 86
第6章 金属橡胶干摩擦阻尼迟滞机理研究 87
6.1 多尺度下金属橡胶干摩擦阻尼耗能机理研究 87
6.1.1 金属橡胶干摩擦阻尼耗能行为 87
6.1.2 基于空间随机分布微元的金属橡胶弹性作用力研究 88
6.1.3 基于元胞组模型的金属橡胶复杂结构动态接触干摩擦数值重构 89
6.2 金属橡胶能耗空间分布研究 94
6.3 试验验证与结果讨论 97
6.3.1 试验流程 97
6.3.2 结果分析与讨论 97
参考文献 100
第7章 基于高阶非线性摩擦的金属橡胶迟滞动力学模型 102
7.1 金属橡胶迟滞动力学建模 102
7.1.1 库仑迟滞摩擦力模型建模 103
7.1.2 切比雪夫多项式展开 103
7.1.3 高阶非线性摩擦力模型建模 104
7.2 金属橡胶迟滞动力学参数识别方法 105
7.2.1 参数识别 105
7.2.2 动力学参数优化 106
7.3 基于噪声模型的参数优化 108
7.3.1 噪声模型的建模 108
7.3.2 噪声模型的参数优选 110
7.4 实例分析 112
7.4.1 噪声模型的参数识别结论 113
7.4.2 动力学模型的参数识别结论 113
7.4.3 高阶非线性摩擦力分析 115
参考文献 117
第8章 金属橡胶热物理性能及力学性能研究 118
8.1 金属橡胶高温热行为研究 118
8.1.1 材料热物理参数与模型边界条件 118
8.1.2 有限元仿真分析 119
8.1.3 金属橡胶高温准静态压缩试验 127
8.2 金属橡胶的传热性能研究 128
8.2.1 金属橡胶传热的热阻网络模型 128
8.2.2 金属橡胶瞬态传热试验与模型验证 133
8.3 金属橡胶的热膨胀性能研究 137
8.3.1 金属橡胶热膨胀的Schapery模型 138
8.3.2 金属橡胶孔隙结构试验与热膨胀试验 141
参考文献 145
第9章 用于电梯曳引机减振的金属橡胶复合材料力学性能研究 147
9.1 减振器设计与MES-SRC特性表征 147
9.1.1 电梯曳引机MES-SRC减振器设计 147
9.1.2 减振元件制备工艺及结构特性表征 149
9.1.3 MES-SRC宏观准静态力学性能分析 152
9.1.4 复合结构金属橡胶减振器的静态力学性能 153
9.2 MES-SRC的有限元数值模拟研究 155
9.2.1 金属橡胶材料的有限元建模 156
9.2.2 硅橡胶材料的属性建立 157
9.2.3 基于域网格叠加方法的MES-SRC有限元模型 157
9.2.4 复合界面结合性能 159
9.2.5 准静态压缩仿真结果 162
9.3 电梯曳引机系统与MES-SRC减振器有限元数值模拟 165
9.3.1 电梯曳引机系统建模 166
9.3.2 电梯曳引机减振器冲击响应分析 166
9.3.3 电梯曳引机减振器应用测试 169
参考文献 171