（工程力学专业论文）钢纤维聚合物混凝土机床基础件静动态力学性能及损伤机理研究.pdf

辽宁工程技术大学博士学位论文 摘要 采用新材料制造静、动态性能优异的机床基础件，对提高机床加工精度及机 械制造业整体水平具有重要的理论和实际意义。本文研究了一种新型工程材料 钢纤维聚合物混凝土( s t e e l f i b e rp o l y m e tc o n c r e t e 缩写为s f p c ) 的静、动 态力学性能及损伤机理，并将其用于制造机床基础件，以达到改善机床静、动 态性能，满足机床向高精度、重切削和高效率方向发展的要求。丰要研究内容 和得出的结论如下： 通过试验和理论分析的方法，研究了钢纤维聚合物混凝土组分及各组分配 比对其静动态力学性能的影响，确定了适于制造机床基础件的钢纤维聚合物混 凝土的最佳组分配比。 应用复合材料细观力学理论，对钢纤维聚合物混凝土的界面形成机理、界 面力学行为和纤维增强机理进行了研究，建立了该材料承载时，钢纤维的拉应 力、界面之间的剪应力、界面粘结系数及钢纤维聚合物混凝土强度和弹性模量 的数学模型。得出在制备材料时，为提高其力学性能应遵循如下原则：其一， 通过控制钢纤维长径比，尽量使粘结系数为1 ；其二，通过界面粘结强度的提高， 使钢纤维的强度得到充分的发挥；其三，提高聚合物混凝土( p o l y m e rc o n c r e t e 缩写为p c ) 的强度，研究配制高强度的聚合物混凝土基体；最后，在界面强度能 满足要求的情况下，采用高强度的纲纤维会带来明显的效果。 根据损伤力学理论建立了钢纤维聚合物混凝土抗压损伤本构方程，并与实 验数据进行了比较，证明了其正确性。 根据复阻尼理论，采用自由振动实验方法，研究了钢纤维对聚合物混凝土 阻尼的影响，并对其机理进行了微观解释。当钢纤维含量不多时，钢纤维聚合 物混凝土阻尼可保持甚至高于聚合物混凝土阻尼，约为铸铁的7 倍。 研究了钢纤维聚合物混凝土机床基础件的制造工艺流程。与铸铁机床基础 件的制造相比，钢纤维聚合物混凝土材料可在室温下成型，不需要熔化加热和 时效处理，因而，采用钢纤维聚合物混凝土制造机床基础件的工艺简单，易实 现机械化、自动化进而改善劳动条件，减少环境污染同时可大量节省能源，节 约钢铁材料。 辽宁工程技术大学博上学位论文 对相同形状尺寸的钢纤维聚合物混凝土和聚合物混凝土两种不同材料的机 床床身在静态力作用下的变形及其对工件加工精度影响进行了分析。结果表明： 钢纤维聚合物混凝土机床基础件的静态性能明显优于聚合物混凝土机床基础件 的静态性能。 采用有限元模拟仿真和激振实验方法，对所研制出的钢纤维聚合物混凝上 车床床身进行了模态分析和谐响应分析。进一步证明了钢纤维聚合物混凝土机 床基础件的动态性能优于铸铁机床基础件的动态性能。 综上所述，采用钢纤维聚合物混凝土制造的机床基础件，具有静态性能高于 聚合物混凝上，动态性能高于铸铁的优越性，同时具有良好的技术、经济、社 会和环境效益。 关键词：钢纤维聚合物混凝土；机床基础件；静动态力学性能；试验研究；复 合材料细观力学；界面；增强机理；损伤本构模型；阻尼；模态分析 辽宁工程技术大学博士学位论文1 1 i a b s t r a c t i ti ss i g n i f i c a n ti nt h e o r ya n dp r a c t i c et os t u d yo nm a n u f a c t u r i n gm a c h i n e t o o ls t r u c t u r a le l e m e n t sw i t he x c e l l e n ts t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e sb yu s i n g n e wm a t e r i a lf o ri m p r o v i n g m a c h i n i n gq u a l i t ya n dt h ew h o l em e c h a n i c a l m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y s t a n d a r d i nt h i s t h e s i s ，t h es t a t i c a n dd 3 7 n a m i c p r o p e r t i e sa n dd a m a g em e c h a n i s mo fau e wm a t e r i a l ，s t e e l - f i b e rp o l y m e r c o n c r e t e ( s v p c ) a r es t u d i e d t h e nw er e s e a r c hi t su s i n gi nm a c h i n et o o l s t r u c t u r a le l e m e n t ss oa st o i m p r o v et h es t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e so f m a c h i n et os a t i s f yt h en e e d so fd e v e l o p m e n to fm a c h i n et ot h ed i r e c t i o no fh i i g h a c c u r a c y , h e a v yc u t t i n ga n dh i g he f f i c i e n c y t h em a i nr e s e a r c h e sa n dt h e i r r e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w ： t h ee f f e c t so fs f p cc o m p o n e n t sa n di t sc o n t e n to ni t ss t a t i ca n dd y n a m i c p r o p e r t i e sa r es t u d i e db ye x p e r i m e n t a lt e s t i n g ，a n dt h e o r ya n a l y s i sm e t h o d s o n t h eb a s eo ft h e s er e s u l t s ，w ed e c i d et h eb e s ts f p cc o m p o n e n t sa n dt h e i rc o n t e n t f o rm a n u f a c t u r i n gm a c h i n et o o ls t r u c t u r a le l e m e n t s t h ef o r m i n gm e c h a n i s m ，m e c h a n i c a lb e h a v i o ro fi n t e r p h a s ea n ds t e e lf i b e r r e i n f o r c i n gm e c h a n i s ma les t u d i e db yu s i n gm i c r o m e c h a n i c st h e o r yo fc o m p o s i t e s o m eo fm a t h e m a t i c a lm o d e l s ，s u c ha st e n s i l es t r e s so fs t e e lf i b e r , s h e a rs t r e s s ， s t i c kc o e f f i c i e n to fi n t e r p h a s es t r e n g t ha n de l a s t i cm o d u l u so fs f p ca r e e s t a b l i s h e d t h e r e f o r e ，w ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o n sb e l l o w ：t h ef i r s t ，w es h o u l d t r yo u rb e s tt om a k es t i c kc o e f f i c i e n tt ob e1b ys e l e c t i n ga p p r o p r i a t er a t i oo f l e n g t ht o r a d i oo fs t e e l - f i b e r t h es e c o n d w es h o u l ds t r e n g t h e ni n t e r p h a s e s t r c n g t h i no r d e r t ou s es t e e l - f i b e r ss t r e n g t ha m p l y t h et h i r d ，s t r e n g t h e n i n gp c s t r e n g t h ，w ec a np r e p a r a t i o nh i g hs t r e n g t hp o l y m e rc o n c r e t e ，m a t r i x ，t o o w h e n t h ei n t e r p h a s es t r e n g t hi se n o u g h ，u s i n gh i g hs t r e n g t hs t e e lf i b e rc a nb r i n g d i s t i n c te f f i c i e n c y c o n s t i t u t i v em o d e lw i t hd a m a g eo fs f p ci se s t a b l i s h e db yu s i n gd a m a g e m e c h a n i c st h e o r y , a n di ti sp r o v e dc o r r e c tb yc o m p a r i n gw i t ht e s t i n gd a t e s i v 辽宁工程技术大学博士学位论文 t h ei n f l u e n c eo fs t e e lf i b e ro nd a m p i n go fs f p ci ss t u d i e db yc o m p l e x d a m p i n gt h e o r ya n df r e ev i b r a t i o nm e t h o d ，a n dt h em e c h a n i c so fd a m p i n gi s e x p l a i n e df r o mm i c r o e s t r u c t u r e w h e ns t e e lf i b e rc o n t e n ti sl e s s ，t h ed a m p i n go f s f p cc a nb eo re v e nh i g h e rt h a nt h ed a m p i n go fp c i ti sa b o u t7t i m e sa sm u c h a sd a m p i n go fi r o n p r o d u c t i o np r o c e s so fs f p cm a c h i n et o o ls t r u c t u r a le l e m e n t si ss t u d i e d c o m p a r i n gw i t hi r o nm a c h i n et o o ls t r u c t u r a le l e m e n t s ，s f p cc a nb ef o r m e di n r o o mt e m p e r a t u r e ，n e e d n tm e l t i n g h e a t i n ga n da g e i n g t h e r e f o r e ，t h e p r o d u c t i o np r o c e s sm a n u f a c t u r i n gs f p cm a c h i n et o o ls t r u c t u r a le l e m e n t s i s s i m p l e ，e a s yt or e a l i z i n gm e c h a n i z a t i o na n da u t o m a t i o ns oa st oi m p r o v ew o r k i n g c o n d i t i o n ，d e c r e a s ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n ds a v eal o to fe n e r g ys o u r c e sa n d i t o n a n a l y z i n gd e f o r m i n ga n di n f l u e n c e s o ft h e mo nm a c h i n i n ga c c u r a c y o f s f p cm a c h i n et o o ls t r u c t u r a le l e m e n t sa n dp cm a c h i n et o o ls t r u c t u r a ie l e m e n t s w i t hs a m ef o r ma n ds i z e , l o a d e do ns t a t i cf o r c e t h u sac o n c l u s i o nc a nb ed r o w n t h a tt h es f p c ss t a t i cp r o p e r t i e si ss u p e r i o rt op c s m o d a la n a l y s i sa n dh a r m o n yr e s p o n s ea n a l y s i so ns f p cm a c h i n et o o l s t r u c t u r a ie l e m e n t sa n dp cm a c h i n et o o is t r u e t u r a le l e m e n t sh a v eb e e nc a r r i e d o u tb yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o na sw e l la se x c i t a t i o n i t s h o w st h a tt h ed y n a m i cp r o p e r t yo fs f p cm a c h i n et o o ls t r u c t u r a le l e m e n t si s s u p e r i o rt oi r o nm a c h i n et o o ls t r u c t u r a le l e m e n t sf u r t h e r s u m m a r i z i n ga l la b o v e ，w ec a nc o n c l u d et h a tm a c h i n et o o ls t r u c t u r a l e l e m e n t sm a d ei ns f p ci ss u p e r i o rt ot h a to n ei np ci ns t a t i cp r o p e r t y , a n di s s u p e r i o rt ot h a to n ei ni r o ni nd y n a m i cp r o p e r t y k e yw o r d s ：s t e e l f i b e rp o l y m e rc o n c r e t e ；m a c h i n et o o ls t r u c t u r a le l e m e n t s ； s t a t i ca n d d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ；e x p e r i m e n t a ls t u d y ； m i c r o m e c h a n i c so fc o m p o s i t e ；i n t e r f a c e ；r e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m ； c o n s t i t u t i v em o d e lw i t hd a m a g e ；d a m p i n g ；m o d a la n a l y s i s 辽宁 二程技术大学博士学位论文 1 绪论 1 1 问题的提出 随着现代科学技术的发展，对机械零件的表面质量和加工精度要求越来越 高，机械加工正在向着高精密化、高自动化、重切削等方向发展。加工精度和加 工效率是评价机床优劣的重要标志之一。实际生产中，尽管增大机床功率可以提 高机床的金属切除率，但在增大金属切除率的同时，往往会引起机床振动，使加 工质量下降，以致机床性能不能得到充分发挥。振动严重时还会产生崩刃打刀现 象，使得加工过程无法进行。为此，必须在不断提高机床自动化程度的同时，尽 可能地改善机床的静态性能( s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ) 、动态性能f d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ) 和热稳定性( t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s ) “。其解决途径有两条： 1 优化机床结构；2 使用性能优越的新型结构材料。近年来机床的结构设计和控 制系统研究发展很快，传统机床结构材料( 铸铁、钢) 特性几乎已达到极限，为 此，只有采用性能更好的新型材料，机床特性才可能有实质性改善，才能满足生 产过程中高精度、重切削、高效率的要求”“。 作为机床的结构材料应具有如下特点一1 “： ( 1 ) 可制造成一定的形状，以适应结构上的需要。 ( 2 ) 弹性模量应尽量高。 ( 3 ) 要有良好的吸振性。 ( 4 ) 要有良好的尺寸稳定性。 ( 5 ) 材料应具有合适的热膨胀系数。 ( 6 ) 要有良好的耐腐蚀性和耐磨性。 传统的结构材料铜和铸铁具有良好的切削性能、刚度和强度等。它们可 以铸成复杂的形状，且易加工，加工精度高，加工质量好。但其阻尼特性不突出， 热稳定性较差，生产周期长，生产过程中消耗的能量大，废品率高。为此人们开 始探讨新型的机床结构材料，先后尝试用天然花岗岩、普通混凝土和聚合物混凝 土制造机床基础件”“。 机床基础件又称支撑件( s t r u c t u r a le l e m e n t ) 或“大件”包括床身、立柱、 底座、横梁、摇臂、工作台、箱体、刀架等“1 。采用天然花岗岩制造机床基础件， ! 坚主三墨垫查查堂堡主兰垡丝壅 可在一定的程度上提高机床的动态特性。但是天然花岗岩可加工性差，尺寸精度 和几何精度受环境的影响大，牛产周期长，这些都限制了天然花岗岩在机床基础 件中的进一步应用一，。 普通混凝土是建筑中常用的结构材料，它是由水泥、普通碎( 卵) 石、砂和 水配制而成的混凝土。用普通混凝土制造机床基础件，具有加工生产方便，价格 低廉和阻尼性良好的优点，但其抗拉强度低、抗腐蚀和抗蠕变性能差，固化收缩 和尺寸精度受环境影响大。需采用表面涂层等特殊方法处理”。 早期作为新型建筑材料的聚合物混凝土，由于其阻尼性能为铸铁的弘1 0 倍， 现已扩展应用到机床、电机等行业“+ ”1 。用它替换传统的灰铸铁制造的机床基础 件可提高机床基础件的动刚度，明显改善机床的动态性能，提高加工质量，延长 刀具的使用寿命，降低噪声，提高效率。同时由于其在室温下即可浇注，成型精 度高，加工余量小，大大节省了能源“8 ”1 。但聚合物混凝土存在抗压强度、韧性 低于铸铁的力学性能等问题，因此如何进一步提高聚合物混凝土力学性能，是国 内外学者十分关注的课题。根据作者几年来的研究，认为向聚合物混凝土中加入 钢纤维形成一种新型混杂复合材料钢纤维聚合物混凝土，可在保持聚合物混 凝土基体良好阻尼性能的基础上，进一步提高聚合物混凝土的相关静态力学性 能，从而获得一种新型机床结构材料，以满足现代科技发展对机床刚度高、重量 轻、阻尼好的要求哪“。 聚合物混凝土材料是在近3 0 年来才有显著发展的有机无机复合材料。 按其组分和制作工艺，该材料分为：聚合物浸渍混凝土( p o l y m e ri m p r e g n a t e d c o n c r e t e ，p i c ) ，聚合物水泥混凝土( p o l y m c rc e m e n tc o n c r e t e ，p c c ) ，也称聚 合物改性混凝土( p o l y m e rm o d i f i e dc o n c r e t e ，p m c ) 和聚合物胶结混凝土 ( p o l y m e rc o n c r e t e ，p c ) ，又称树脂混凝土( r e s i nc o n c r e t e ，r c ) 。 由于各种聚合物混凝土的组分和制作工艺不同，使得它们的力学性能有很大 差异。聚合物胶结混凝土中的胶粘剂聚合物种类繁多，不同的聚合物性能有 很大差别，当采用不同的聚合物作胶结剂时，制备的聚合物混凝土力学性能明显 不同。聚合物混凝土中骨料的种类和配比也同样影响材料的力学性能。为此，材 料的制备一定要以材料应用的具体场合所要求的具体结构和功能特性为出发点， 设计出材料的最优组分及其配比。 里主三墨垫查查兰坚主兰垡堡塞! 国内外学者对聚合物混凝土的研究已有多年的历史，而对纤维增强聚合物混 凝土的研究近年内才见报道，且多从应用于建筑业的角度出发”，另外建筑行 业研究的纤维增强聚合物混凝土几乎是纤维增强聚合物水泥混凝土。国内对聚合 物胶结混凝土采用纤维增强技术的研究几乎空白。虽然建筑业对纤维增强普通混 凝土或纤维增强聚合物水泥混凝土技术的相关研究，对纤维增强胶结混凝土的研 究具有一定的参考价值，但纤维增强聚合物胶结混凝土的组分和制备工艺与它们 之间有很大的不同，且由于对建筑材料性能要求远不同于机床基础件，以至即便 都是纤维增强聚合物胶结混凝土，如果其中各组分的种类和配比不同，将会导致 材料力学性能的巨大差异。另一方面，由于材料具有可设计性，只有搞清其微观 特性对其宏观特性的影响，各组分对其力学性能。物理性能及化学性能的影响规 律，才能更好地根据材料应用的具体场合和要求，设计出最佳的材料组分配比 3 l ，3 2 因此系统研究适于制造机床基础件的钢纤维聚合物胶结混凝土( 为简略起 见，本文在以后的各章节中均简称为钢纤维聚合物混凝土) 最佳组分配比，微观 ，细观结构和宏观特征的关系，多相界面行为，增强和阻裂的机理，全面地探讨钢 纤维聚合物混凝土机床基础件的静动态力学性能及损伤机理及机床基础件的制 造工艺过程，对提高机床性能，提升我国机械制造业水平，增强我国国民经济的 竞争实力具有重要的理论和现实意义。 1 2 国外研究现状 自1 8 3 0 年前后，混凝土问世以来， 在制造机床构件方面也有了很长历史“1 。 其在建筑等诸多方面得到了广泛应用， 1 9 1 7 年，德国的s c h l e s i n g e r 首先 提倡在车床床身上采用钢筋混凝土，整个床身包括导轨面都由混凝土制成。由于 在切屑和油液的喷溅下导轨面急剧破坏，而未能付诸实用”1 。 二十世纪四十年代，德国b o e h r i n g e r 公司经过研究后，成批生产了以 节约钢铁材料为目的混凝土车床。前苏联与美国为了节约钢铁和降低制造成本， 也先后于二十世纪六十年代在大型车床和龙门铣床上使用了混凝土构件。德国的 b u r k h a r t & w e h e r 公司将聚合物混凝土用于制造h y o p 8 0 n c w 加工中心 和铣床床身。德国d a r m s t a d t 大学对聚合物混凝土进行了全面深入的研究， ! 坚主兰垦垫查查堂堕主堂垡堡苎 并把它成功地用于加工中心和高速铣床上。该校的s c h u k z 教授已完成了聚合物 混凝上材料的德国工业标准( d i n ) 。制成了数控车床的床身。 二十世纪七十年代，瑞士的g e o r g ef i s h e r 公司和s t u d e r 公司、德 国的b o e h r i n g e r 公司和d e c k e l 公司以及意大利n o r m a 公司s a n r o c c o 公司相继推出装有钢筋混凝土构件或聚合物混凝土构件的机床产品。其 中瑞士s t u d e r 公司自行研制成第一台外圆磨床的床身和主轴后，八十年代初 又制成了$ 3 0 到$ 5 0 数控外圆磨床的床身，如今该产品已形成系列化。该公司有 1 0 0 0 平方米的专用车间，配有德国产的r e s p e s t a 牌的连续浇注设备。目前已 实现聚合物混凝上材料和机床构件的商品化，并对该技术实行转让。 与此同时，德国e m a g 公司成功地把该技术用于制造双主轴卧式车床，在 此基础上开发的加工中心和柔性制造系统已成功地运转在世界许多名牌汽车制 造厂如福特、奔驰、菲亚特等。该公司声称新型车床平均可提高刀具寿命2 0 ， 提高光洁度一级。在c i m t 9 3 展览会上瑞士s r u d e r 公司展出的$ 3 0 1 高精度 外圆磨床，采用聚合物混凝土床身，获得了良好的刚性、吸振性和热稳定性。“。 日本机械工业促进协会技术研究所试制了聚合物混凝土材料磨床床身，磨削 实验表明，在切入磨削中比较容易的获得0 1 u m 圆度。在纵向磨削中，比较容 易的获得l 5 u m 4 0 0 m m 的母线直线度。1 9 8 8 年又引进德国聚合矿物复合材料制 造设备和技术，开始在高速车床床身上应用。 美国h a r d i n g e 公司展出的c o n q u e s t4 2 和c o n q u e s ts p 型数控机 床的床身均采用了聚合物混凝土。这种机床的床身符合防震、结构稳固和热稳定 性等需求，能进行较大的切深量、更快的进给速度，能获得更好的表面粗糙度， 可提高生产率。 法国聚合物混凝土机床构件已产业化，形成系列产品，并制定了国家标准。 目前，国外主要将聚合物混凝土材料用于生产机床床身和立柱等支承件，或 者用于生产床头箱或减速器的箱体，该材料在机械制造中的应用正日趋成熟” 4 对混凝土类材料力学性能及损伤机理的研究经历了传统力学理论与现代破 坏理论，宏观理论与微观界面理论的研究历程。传统力学所描述的材料强度理论， 是长期以来在工程上对构件或结构的强度进行计算的方法，它以材料力学和结构 江宁工程技术大学博士学位论文5 力学为基础，在假设材料为均匀连续的基础上进行研究。材料的强度设计步骤可 划分为：分析在外荷载作用下材料或结构的应力状态盯；测量表征材料强度 的性能指标盯。( 屈服强度) 、盯。( 极限强度) ；应用复杂应力状态下的材料强 度理论，( 盯，f ) 【仃】；以此来判断材料和构件是否满足强度的要求。二十世纪五 十年代开始发展的断裂力学，是材料强度理论的重大发展1 。断裂力学考虑裂纹 型的缺陷并引入表征缺陷尺度的新的几何量a ( 缺陷长度或缺陷平均半径) 。1 9 6 1 年，m f k a p l a n 首次将断裂力学概念引用于混凝土，并进行混凝土断裂韧度试 验研究”“。1 9 7 6 年，瑞典学者h i l l e r b o r g 提出了描述混凝土裂缝过程区材料软化 特性的虚拟裂缝模型( f c m ) “；1 9 8 3 年，美国学者b a z a n t 提出了与虚拟裂缝 相类似的裂缝带模型( c b m ) 4 4 1 ；1 9 8 5 年，s h a h 提出以应力强度因子为参量的 断裂模型( t p f m ) “；1 9 8 6 年，b a z a n t 提出尺寸效应模型“；1 9 8 7 年s w a r t z 和1 9 9 0 年k a r i b a l o o 分别提出的等效裂缝长度( e c m ) 模型“”。二十世纪八十 年代初期连续介质损伤力学正式命名，并开始应用于混凝土本构的理论分析中 “。l o l a n d 和m a r z a r s 的损伤模型是较早用损伤来研究混凝土的拉伸力学行为 得出的结果，将试验获得的拉伸应力一应变曲线划分两段，即应力峰值以前和峰 值之后，对应这两个阶段，损伤的扩展分为两个区，对应每个区域内的损伤扩展 用不同的函数来模拟”3 。其它的混凝土各向异性损伤模型还有k r a j c i n o v i e 损 伤模型“。 1 9 1 0 年，美国h f p o r t e r 即发表了有关以短纤维增强混凝土的报告。1 9 6 3 年，j p r o m u a l d i 和g b b a s t o n 发表了一系列关于钢纤维裂纹开展的机理，提 出纤维间距理论“。”1 。1 9 5 2 年，h l c o x 提出用于复合材料界面应力分析的剪切 滞后模型”；r o s e n 发展了剪切滞后分析方法，得到关于界面应力传递更为接近 实际的结果“；k e l l y 阐述了复合材料的断裂纤维临界长度与性能的关系”； z w e b e n 研究了断裂剪应力与界面强度的关系1 ；1 9 8 5 年p s c h u a 和m r p i g g o t t 提出改进的剪切滞后模型剪切滑移模型后“，人们同样也对钢纤维混凝 土的微观界面理论进行了研究，1 9 8 2 年b a r n e s 模型，1 9 8 5 年z i m b l e m a n n 模型， 1 9 8 6 年m o n t e i r o 模型等“。同时从应用于建筑行业的角度出发，为了获得更优 的材料性能，人们开始在混凝土中加入聚合物以形成聚合物混凝土，进而研究钢 纤维聚合物水泥混凝土在建筑业中的应用，及其相关的力学性能。 6 辽宁工程技术大学博士学位论文 1 3 国内研究现状 近些年来，混凝土研究在国内的发展也异常迅速，多次召开纤维水泥和纤维 混凝土学术会议，并取得可喜成就。1 9 8 2 年，李灏教授在中国力学学会第二届理 事会上做过“损伤力学与断裂”的报告。黄克智教授编写了“损伤与断裂讲义”， 1 9 8 5 年1 2 月1 2 目召开了全国断裂与损伤研讨会，损伤力学便迅速应用在混凝土 的研究方面。如蔡四维、谢和平、赵国藩、李兆霞、李杰等等为混凝土、钢纤维 混凝土的损伤机理研究作出了巨大的贡献脚。在研究材料微观结构方面1 9 8 3 年，谢松善模型；1 9 8 6 年，刘峥模型”1 ；1 9 9 0 年，凌志达模型”；1 9 9 2 年李 绍政模型“；曾庆敦和杨庆生等在复合材料细观力学、界面理论方面的研究为研 究纤维增强混凝土提供了理论帮助”“1 。姚琏等提出纤维增强混凝上的纤维 有效系数，为研究纤维混凝土的微观理论提供依据”。湖南大学的沈蒲生教授于 1 9 9 1 年便开始对高纤维含量高强混凝土的研究“”；东南大学的孙伟教授1 9 9 1 年 发表的论文中研究了钢纤维对高强混凝土的增强、增韧和阻裂效应等等o 。“。为 获得更优的材料性能如天津大学的胡云吕、曾志兴研究的钢纤维轻骨混凝土与普 通混凝土相比强度、韧性大大提高”3 。”“1 。国内对混凝土的研究在向高性能、环 保、可持续等方面发展。 混凝土在我国机床制造业中的应用历史是由二十世纪五十年代末提出用非金 属材料制造机床支撑件开始的。从那时起，一些机床厂以钢筋混凝土或聚合物混 凝土作为结构材料生产中小型机床的部分基础件，缩短了生产周期，降低了成本， 机床的动态特性和热特性也得到了提高。但是，由于防腐、蠕变等关键问题没有 解决，这些机床基本上无法正常使用，这项研究也就停止了。 1 9 8 5 年同济大学凭借与德国t h d a r m s t a d t 工业大学建立技术合作与交 流的优势，在此领域取得了很大的成就。1 9 8 8 年在西德v o l b s w a g o n 基金 的帮助下，同济大学用聚合物混凝土浇铸了一台精密磨床床身。同时他们还与北 京第二机床厂合作对聚合物混凝土材料的性能和要求进行了研究。选定的材料配 方使得聚合物混凝土在较宽的工作温度和工作频率范围内具有较高的阻尼、强度 以及较好的耐腐蚀性和较短的固化时间，收缩、蠕变和热变形等均满足要求，材 料的物理力学性能和机械性能均达到了国际同类产品的水平”。7 “。 同期北京机床研究所、上海机床研究所也开展了聚合物混凝土机床基础件研 里! 三窭垫查查堂堂主堂垡堡奎 ： 究。在c i m t 9 3 展览会上北京机床研究所推出的机床展品中”，有两台采用了 聚合物混凝土制造的基础件。这种床身的吸振性和热稳定性均优于灰铸铁床身， 制造成本比灰铸铁低1 5 左右。 上述聚合物混凝上机床基础件研究应属国内聚合物混凝土在机床行业应用 的第一阶段，此阶段主要借鉴国外经验，以试制机床基础件为主，缺少系统全面 的基础理论研究。从九十年代末期辽宁工程技术大学系统地开展了相关的研究 删。作者在全面分析和综述该方面研究的国内外现状基础上，提出向聚合物混凝 土中加入钢纤维，使得在改善材料的动态性能的同时，使材料的静态性能达到最 低限度的损失，以适应机床基础件的高静动态和热性能的要求，并系统地开展了 钢纤维聚合物混凝土机床基础件静动态力学性能及其在机床基础件中应用方面 的研究。该项研究先后两次得到辽宁省教育厅科学研究基金项目的资助。 1 4 存在的问题 综上所述，以提高机床的静动态性能为目的，国内外学者经历了将普通混凝 土一钢筋混凝土一聚合物混凝土应用于机床基础件的研究历程，从研究现状来 看，研究其制造工艺的报道较多，但缺乏系统的理论研究。 截至目前，国内外学者对混凝土类材料力学性能的研究多以水泥混凝土、聚 合物水泥混凝土、及以它们为基体的钢纤维增强混凝土为研究对象。从研究结果 看，在混凝土中加入钢纤维能大大改善材料力学性能，弥补普通混凝土存在的抗 拉强度低、韧性差等不足。混凝土本身存在着非均匀、非连续、非线性以及多相 性等特点，决定了其力学性能的复杂多变，为分析其受力破坏机理，人们建立了 各种各样的理论模型。目前，国内外对混凝土、钢纤维混凝土、高强混凝土的研 究在日臻完善，但对钢纤维聚合物混凝土的力学性能的研究，特别是其理论方面 的研究几乎未见报导“3 ”8 。 1 5 本文研究内容 根据国内外研究现状和存在的问题本文主要进行以下几方面的研究： ( 1 ) 通过实验研究钢纤维长径比和含量对钢纤维聚合物混凝土静、动态性 能的影响规律，确定适于制造机床基础件的最佳材料配比。 辽宁工程技术大学博士学位论文 7 究。在c i m t 9 3 展览会上北京机床研究所推出的机床展品中”“，有两台采用了 聚合物混凝土制造的基础件。这种床身的吸振性和热稳定性均优于灰铸铁床身， 制造成本比灰铸铁低1 5 左右。 上述聚合物混凝上机床基础件研究应属国内聚合物混凝土在机床行业应用 的第一阶段，此阶段丰要借鉴国外经验，以试制机床基础件为丰，缺少系统全面 的基础理论研究。从九十年代末期辽宁工程技术大学系统地开展了相关的研究 ”。作者在全面分析和综述该方面研究的国内外现状基础上，提出向聚合物混凝 七中加入钢纤维，使得在改善材料的动态性能的同时，使材料的静态性能达到最 低限度的损失以适应机床基础件的高静动态和热性能的要求，并系统地开展了 钢纤维聚合物混凝土机床基础件静动态力学性能及其在机床基础件中应用方面 的研究。该项研究先后两次得到辽宁省教育厅科学研究基金项i ：1 的资助。 1 4 存在的问题 综上所述，以提高机床的静动态性能为目的，国内外学者经历了将普通混凝 土一钢筋混凝士一聚合物混凝土应用于机床基础件的研究历程，从研究现状来 看，研究其制造工艺的报道较多，但缺乏系统的理论研究。 截至口前，国内外学者对混凝土类材料力学性能的研究多以水泥混凝土、聚 合物水泥混凝、及以它们为基体的钢纤维增强混凝土为研究对象。从研究结果 看，在混凝土中加入钢纤维能大大改善材料力学性能，弥补普通混凝土存在的抗 拉强度低、韧性差等不足。混凝土本身存在着非均匀、非连续、非线性以及多相 性等特点，决定了其力学性能的复杂多变，为分析其受力破坏机理，人们建立了 各种各样的理论模型。目前，国内外对混凝土、钢纤维混凝土、高强混凝土的研 究在日臻完善，但对钢纤维聚合物混凝+ 的力学性能的研究，特别是其理论方而 的研究几乎未见报导“1 。 1 5 本文研究内容 根据国内外研究现状和存在的问题本文主要进行以下几方面的研究： ( 1 ) 通过实验研究钢纤维长径比和含量对钢纤维聚合物混凝上静、动态性 能的影响规律，确定适于制造机床基础件的晟佳材料配比。 能的影响规律，确定适于制造机床基础件的晟佳材料配比。 8 辽宁工程技术大学博士学位论文 ( 2 ) 应用复合材料细观力学理论，对钢纤维聚合物混凝土的微观细观结构 与宏观特性的关系、多相界面形成机理及其力学行为、钢纤维对聚合物混凝土的 增强机理进行研究。 ( 3 ) 应用损伤力学理论，研究该材料的损伤机理，建立钢纤维聚合物混凝 土的损伤本构模型。 ( 4 ) 根据复阻尼理论，采用自由振动实验方法，研究钢纤维对聚合物混凝 土阻尼的影响，并对其机理进行微观解释。 ( 5 ) 以车床床身为例，研究该材料制造机床基础件的工艺规程。应用材料 力学和机械制造工程学的相关理论分析该材料机床基础件的静态力学性能，采用 模拟仿真分析和激振实验方法，对研制出的钢纤维聚合物混凝土机床床身进行动 态性能分析，并与铸铁机床床身相比较。进一步证明该材料制造机床的合理性和 优越性。 辽宁工程技术大学博士学位论文9 2 材料设计及其静态力学性能试验研究 本章将采用试验的方法研究钢纤维聚合物混凝上抗压强度、抗压弹性模量、 泊松比、劈裂抗拉强度、抗剪性能和抗弯性能等性能参数，随钢纤维含量( 体积 率) 、长径比等诸参量的变化规律，并通过与聚合物混凝土相关性能的比较，证 明钢纤维的加入，将改善聚合物混凝土静态力学性能。最后确定适于制造机床基 础件的钢纤维聚合物混凝土的最佳组分及其各组分配比。 2 1 聚合物混凝土材料组分的确定 钢纤维聚合物混凝土是由环氧树脂、骨料、填料和钢纤维共同组成。固化以 后，填料和环氧树脂构成固化树脂，将骨料与钢纤维联结为一整体构成混杂复合 材料”4 。材料的组分及其各组分的不同配比都会给材料的各项性能带来很大的 差别。钢纤维聚合物混凝土的组分如图2 - 1 所示。 2 1 1 骨料 图2 一l 钢纤维聚合物混凝土组分构成 f i g 2 1s t e e l f i b e rp o l y m e rc o n c r e t ec o m p o n e n t 骨料是钢纤维聚合物混凝土材料的主要组成部分之一，对钢纤维聚合物混凝 土所用骨料应满足以下条件。： ( 1 ) 强度应尽量高。 ( 2 ) 应具备空隙率最小的颗粒级配、形状。 1 0 辽宁工程技术大学博士学位论文 ( 3 ) 不含对聚合物固化反应产生有害影响的杂质。 本文所用的骨料由天然花岗岩粉碎制得，因为骨料的粒度选择比例对钢纤维 聚合物混凝土的强度有直接的影响。如果比例失调，那么单位体积中的树脂用量 不易控制，从而削减了钢纤维聚合物混凝土的强度。我国j g j 5 3 9 2 对碎石、大 理石等固体颗粒级配作了详细的规定。选用连续的级配在配制钢纤维聚合物混凝 土时可以用较少的树脂胶粘剂来填充孔隙和表面，有利于降低树脂混凝土的用量 及成本，便于配制较密实的钢纤维聚合物混凝土，所以将骨料粒径分为7 级，粒 径在2 5 r a m 以上的称为租骨料，粒径在2 5 r a m 以下称为细骨料7 。在细骨料中 又分0 - 0 1 6 m m ，0 1 6 0 3 1 r a m ，0 3 1 0 6 3 r a m ，0 6 3 - 1 2 5 r a m ，1 2 5 2 5 r a m5 个等级。它 的作用是与胶结剂结合形成混凝土框架。粗骨料中分为2 5 5m i l l ，5 1 0 r a m 两个等 级。其作用为填充粗骨料框架缝隙以保证聚合物混凝土的密实度“”7 。 2 1 2 填料 聚合物混凝土材料除了含有上述大量石料外，还要加入适当的填料，以改善 钢纤维聚合物混凝土的工作性能，热膨胀系数及收缩率，增加机械强度，提高尺 寸稳定性，消除固化中的成型应力，避免发生孔穴、裂纹，以增长使用寿命和改 善流动性”“。 加入填料应考虑以下因素： ( 1 ) 控制一定的粘度； ( 2 ) 保证达到固化的机械物理性能。 ( 3 ) 不含对聚合物固化反应有影响的杂质。 填料还起到调节胶层厚度作用，当胶层变厚，粘结界面内应力和因膨胀系数 不同而产生的热应力增加。并且产生流动和蠕变的几率增大，产生疏松和气泡的 几率增加，粘结强度降低。 本文所用填料为粉煤灰，系由火电厂除尘设备收集，较为干燥的灰黑色粉末。 2 1 3 粘结剂 粘结材料主要是有机聚合物，应把满足技术性、经济性、对人体和环境无害 性作为选择聚合物的总体标准，具体的要求： 辽宁工程技术大学博士学位论文1 ( 1 ) 最佳处理时间。为制作混凝土构件，从混合物搅拌、浇注，直到振动密 实，都需要充足的时间。在理论上，聚合物的固化时间应能满足连续生产构件的 需要，硬化时间要容易调整。 ( 2 ) 聚合物粘度要低。粘度越低，骨料越易被湿润，聚合物用量越少，成本 越低。 ( 3 ) 良好的硬化。当掺入固化剂和促进剂后，能硬化至固态，获得一定的强 度和化学稳定性。 ( 4 ) 固化变形小。聚合物在固化时发生化学反应，导致密度的增加和体积减 小，构件要产生变形，若与其它不同性能的材料联合使用，则产生残余应力。 ( 5 ) 价格低。作为铸铁和钢