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轮胎胶料在较大变形范围内超弹性性能与填充和共混的相关性研究

李旭

  设计出满足各种先进轮胎的超弹性性能需求的胶料,是轮胎工业所追求的一个工程目标。为实现这个工程目标,近数十年来人们越来越认识到,需要发展胶料的超弹性性能与填充和共混的相关性理论,这也形成了轮胎工程界和学术界所关注的前沿研究方向之一。针对轮胎胶料实际所处的较大变形范围工况,本文采用实验研究和数值分析相结合的方法,对胶料超弹性性能与填充和共混的相关性进行了较系统的研究。 利用基于岛津试验机的自动网格法测试系统,对三类典型不同基体(天然橡胶NR、丁苯橡胶SBR和顺丁橡胶BR)的不同填充比胶料进行了较大变形范围内的单向拉伸试验,较全面充分的揭示了胶料超弹性性能与炭黑填充的相关性规律。随着填充比的增大,胶料的应力应变曲线逐渐上升,胶料应力应变曲线的“S”型非线性特征也随之加剧,胶料的定伸长应力呈非线性递增。基于试验结果,较充分全面的证明了修正八链模型对不同填充比胶料的超弹性性能表征具有较好的普适性;同时建立了修正八链模型中材料参数与炭黑填充比的定量关系,它能显式表征胶料超弹性性能与炭黑填充的相关性,并能在一定程度上预报胶料超弹性性能与炭黑填充的相关性。 利用含温度箱的测试系统,进行了不同填充比NR胶料(包括纯胶料)在不同温度下的单向拉伸试验,揭示了不同填充比NR胶料(包括纯胶料)的超弹性性能与温度的相关性规律。填充胶料随着温度的升高“先变软后变硬”,且填充比越高,胶料的临界温度也越高;纯胶料随温度的升高而直接变“硬”依据经典的橡胶统计理论,并基于试验结果,在“修正应力”的意义上揭示了内能弹性与环境温度近似成指数衰减关系的特征。由此从内能弹性与环境温度相关性的角度,并结合熵弹性与环境温度近似成线性递增关系的特征,更明确合理的解释了填充胶料随温度升高“先变软后变硬”和纯胶料随温度升高直接变“硬”的现象。另一方面,较充分全面的证明了修正八链模型对不同温度下胶料的超弹性性能表征具有较好的适应性;基于内能弹性和熵弹性相互作用的结果重新推导了修正八链模型的温度相关的显式表达式,它能显式表征胶料超弹性性能与温度的相关性,并能在一定程度上预报胶料超弹性性能与温度的相关性和相应的临界温度。 先后提出了一个球对称性较好的二十四面体“基元”和一个球对称性更好的四十八面体“基元”,同时提出“广义基元”堆积法和“基元”与过渡网格的堆积法,并采用自编的程序分别对“广义基元”和“基元”的中心位置进行随机赋值,建立了相应的RVE随机模型。利用两种随机模型对不同填充比胶料的单向拉伸过程进行了模拟,结果表明,二十四面体“基元”的RVE模型优于现有文献报道的菱形十二面体“基元”RVE模型,四十八面体“基元”的RVE模型又优于二十四面体“基元”的RVE模型。利用四十八面体“基元”的RVE模型计算得到的应力分布云图还揭示了填充胶料在变形过程中的应力分布特征,即颗粒越接近,应力集中越严重;且填充比越高,基体的最大应力集中系数越大。 对四十八面体“基元”的形状进行了调整,得到了“去角基元”,并采用自编的程序引入界面单元(cohesive element),建立了计及颗粒与基体脱粘影响的RVE随机模型;其中的临界法向相对位移和界面粘结能是依据有关文献确定的,而界面法向粘结强度是通过试算确定的。使用“去角基元”的RVE模型对填充比为20.3%的NR胶料的拉伸过程进行了模拟探索,所得的计算应力应变曲线与试验曲线吻合较好(明显消除了未计及脱粘时模拟结果的上翘现象)这初步表明该模型是较有效的。另一方面,数值模拟结果还初步揭示了“脱粘”的细观机制,在胶料变形过程中,与拉伸方向同向的两个相邻颗粒之间的基体应力集中最为严重,由此导致界面上出现空穴,并随着变形的增大而增大,即“脱粘”实际上是空穴形成至增大的过程。 对两类典型不同组分(NR/BR和NR/SBR)的共混纯胶料和共混填充胶料进行了较大变形范围内的单向拉伸试验,首次从实验的角度较充分的证明了纯胶料在较大变形范围内的性能与组分共混的超弹性混合律;此外还发现超弹性性能的混合律对填充胶料不再成立,这表明填充胶料的共混机理与纯胶料的共混机理是不同的。分别采用修正八链模型和Yeoh模型表征单一胶料的超弹性性能,得到了对应的超弹性混合律,并对两类不同共混比的纯胶料进行了预报。对比结果表明,选用修正八链模型的超弹性混合律的预报效果明显优于选用Yeoh模型的超弹性混合律的预报效果;这同时说明选取合适的应变能密度函数是准确预报胶料超弹性共混特性的基础。 最后对全文工作进行了总结,并对今后的工作和发展进行了展望。……   
[关键词]:轮胎胶料;超弹性性能;填充与共混;细观本构模型;RVE随机分析
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国科学技术大学2012年