發(fā)布時間：2018-05-06 06:25

  本文選題：天然橡膠 + 超彈性　； 參考：《北京化工大學》2017年博士論文

【摘要】：橡膠作為一種戰(zhàn)略物資和重要的工程材料被廣泛地應用于輪胎、輸送帶、減振支座等處于動態(tài)工況的制品中。橡膠材料的粘彈性特征使其在動態(tài)工況作用下出現(xiàn)彈性儲能和粘性耗散兩大響應。彈性儲能響應促使橡膠內部的原始微裂紋,或稱為裂紋前兆體,不斷擴展直至材料破壞,即材料出現(xiàn)疲勞失效問題;粘性耗散響應促使橡膠將部分外部做功耗散為熱,即材料出現(xiàn)滯后溫升問題,上升的溫度反過來影響材料的力學和熱學屬性,即熱力耦合問題。疲勞失效和滯后溫升是橡膠材料面臨的兩大復雜問題。而橡膠納米復合材料因其多尺度多層次的復雜相互作用使得傳統(tǒng)的實驗方法難以建立材料性能和外部工況與最終橡膠制品間的定量關系,且實驗測試和表征手段具有周期長,成本高等不足。相比之下,有限元分析法是研究橡膠疲勞失效和滯后溫升問題的有效手段,該方法可為橡膠材料及其制品的設計提供前期指導。其中,橡膠材料可靠的本構方程是獲取高精度有限元計算結果的關鍵因素之一�；�于上述研究背景,本論文采用有限元模擬方法圍繞天然橡膠納米復合材料的疲勞失效與滯后溫升問題開展了深入細致的研究。(1)從應力應變實驗數(shù)據(jù)和超彈性本構方程兩個角度出發(fā),以圓柱型天然橡膠試樣的單軸壓縮變形分析為例,系統(tǒng)地總結有限元分析中炭黑填充天然橡膠材料超彈性本構方程的選取方法以及各個方程的擬合精度。對于采用的應力應變實驗數(shù)據(jù)來說:僅采用單軸拉伸(UT)實驗數(shù)據(jù)擬合本構方程時,不能單純依賴擬合精度判斷本構方程的優(yōu)劣;同時采用UT,平面拉伸(PT)和等雙軸拉伸(ET)實驗數(shù)據(jù)擬合本構方程時,其整體計算精度大幅度提升,且可依據(jù)擬合精度判斷超彈性本構方程的優(yōu)劣。對于選用的超彈性本構方程而言,若提供UT,PT和ET實驗數(shù)據(jù),宜選用擬合精度高的O_Ni,P_Ni,VdW,Marlow等方程;而在僅有單軸拉伸數(shù)據(jù)的情況下,選用RP_Ni,AB,Marlow等方程較好,不要選用擬合精度高的O_Ni和P_N2方程。通過實心橡膠輪胎的壓縮變形分析和平面拉伸橡膠試樣裂紋尖端J積分計算結果與撕裂能實驗數(shù)據(jù)對比分析,進一步指出采用UT,PT和ET實驗數(shù)據(jù)擬合超彈性本構方程的必要性。而對于橡膠材料準靜態(tài)循環(huán)加載的力學本構方程分析,Marlow方程對加載段的應力應變曲線擬合效果最好,Mullins方程可用于描述大應變時卸載段的應力應變曲線,而將Marlow方程與Mullins方程以及塑性變形模型相結合,可以精確地描述橡膠材料循環(huán)加載的應力應變曲線及永久變形行為。該工作對于橡膠材料及其制品有限元設計前期的材料參數(shù)確定奠定基礎。(2)基于橡膠疲勞裂紋擴展理論實現(xiàn)啞鈴型圓柱天然橡膠試件單軸加載條件下的疲勞壽命的有限元計算。通過Thomas模型和Mars-Fatemi模型分別研究完全松弛加載和非完全松弛加載條件下的橡膠材料疲勞壽命,計算結果包括材料首先發(fā)生破壞的位置,疲勞壽命以及裂紋擴展平面的法向角度。利用Python語言編寫算法實現(xiàn)對數(shù)疲勞壽命和裂紋擴展平面法向角的結果可視化。提出通過疲勞壽命(S-N)數(shù)據(jù)而非疲勞裂紋擴展速率-撕裂能(da/dN-T)數(shù)據(jù)計算Thomas模型的冪律指數(shù)(F)與載荷比(R)的關系,結果表明在0R0.3時,F與R呈二次或三次函數(shù)關系。提出基于S-N數(shù)據(jù)和迭代算法反推橡膠材料內部裂紋前兆體的尺寸大小,定量地指出疲勞壽命數(shù)據(jù)的波動性源于材料內部缺陷尺寸的不均一性。不論是完全松弛加載還是非完全松弛加載條件,分析中的天然橡膠納米復合材料的裂紋前兆體的平均尺寸均處于30至40微米之間,證明出Mars-Fatemi模型可有效地描述不同載荷比下應變誘導結晶行為對于疲勞壽命的影響。該工作對于理解疲勞破壞機理和指導設計高疲勞壽命橡膠材料及制品提供了研究方法和手段。(3)基于熱力耦合分析法和橡膠材料的非線性粘彈性理論,編寫出計算圓柱型天然橡膠試件在動態(tài)工況下滯后溫升的精確算法。熱力耦合分析法包括變形分析,熱源分析和熱傳遞分析三個模塊。變形分析中,通過UT,PT和ET數(shù)據(jù)確定可靠地超彈性本構方程;熱源分析中,通過修正Kraus方程和線性插值法建立損耗模量與溫度,應變和頻率的函數(shù)關系;熱傳遞分析中,基于實驗數(shù)據(jù)分別建立導熱系數(shù)和比熱容與溫度的依賴關系,同時采用高精度的動態(tài)力學測試儀追蹤橡膠試件表面和內部的溫度歷史,以驗證瞬態(tài)溫升曲線的有限元計算結果。系統(tǒng)提出蠕變效應和動態(tài)模量軟化效應對橡膠材料滯后溫升的影響和機理,并指出動態(tài)模量軟化效應對于橡膠材料滯后溫升分析是必要的�；�于上述算法,通過參數(shù)化數(shù)值實驗進一步研究比熱容,導熱系數(shù)和滯后因子等材料參數(shù)對于滯后溫升行為的影響。結果發(fā)現(xiàn)比熱容越低,橡膠試件表面和芯部溫度的升降溫速率越快,但比熱容并不影響最終的平衡溫度;導熱系數(shù)越高,芯部溫度越低,表面溫度越高,內外部溫差降低,橡膠試件的溫度分布更加均勻;表面和芯部溫度與滯后因子(tan δ)呈線性遞增關系,tan δ值每升高0.01,芯部和表面溫度分別升高6.9℃和3.1℃。(4)基于熱力耦合分析法和非線性粘彈性理論編寫出可預測實心橡膠輪胎在不同壓縮位移和轉速條件下的瞬態(tài)溫升和滾動阻力的算法。通過輪胎和地面的接觸分析提取輪胎滾動一周的主應變值,應變幅值設為三種主應變平均值的一半,采用100階傅里葉正弦級數(shù)對應變幅值數(shù)據(jù)實現(xiàn)精確擬合。提出采用二維軸對稱幾何模型預測三維實心輪胎滾動阻力和瞬態(tài)溫升分布的有效方法,并采用橡膠材料滾動阻力測試儀驗證有限元分析結果的可靠性。結果表明瞬態(tài)溫度隨轉速和壓縮位移的增加均呈上升趨勢,滾動阻力隨加載位移增加而增加,卻隨轉速加快而下降。同樣利用參數(shù)化數(shù)值實驗定量研究導熱系數(shù)對輪胎穩(wěn)態(tài)溫升量的影響,以及損耗因子對穩(wěn)態(tài)溫升和滾動阻力的影響。結果表明導熱系數(shù)越高,芯部穩(wěn)態(tài)溫升量越低而表面穩(wěn)態(tài)溫升量變化不大;tan δ值增加,表面和芯部穩(wěn)態(tài)溫升量以及滾動阻力均呈線性增長趨勢。tan δ每增加0.01,表面和芯部穩(wěn)態(tài)溫升量以及滾動阻力值分別升高2.5℃,4.6℃和0.6N。本研究可對節(jié)油安全高性能輪胎及其所用的橡膠納米復合材料的設計提供重要參考。
[Abstract]:In this paper , the elastic energy storage and the hysteresis temperature rise of the rubber material are studied in detail . In this paper , the mechanical and thermal properties of the rubber materials can not be determined by using the finite element method . ( 2 ) The fatigue life of rubber materials under uniaxial loading conditions of dumbbell - shaped cylindrical natural rubber is calculated based on the theory of fatigue crack propagation . ( 4 ) An algorithm for predicting the transient temperature rise and rolling resistance of a solid rubber tire under different compression displacement and rotational speed is prepared based on the thermal coupling analysis method and the nonlinear viscoelasticity theory . The influence of the rolling resistance and the rolling resistance of the tire on the steady state temperature rise and rolling resistance of the three - dimensional solid tire is obtained by the contact analysis of the tire and the ground . The results show that the higher the thermal conductivity , the lower the steady temperature rise of the core and the rolling resistance .

【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ332;TB33

【參考文獻】

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1 李凡珠;劉金朋;盧詠來;張立群;楊海波;;填充橡膠材料循環(huán)加載的本構行為及數(shù)值擬合[J];橡膠工業(yè);2017年02期

2 付坤;翁更生;閆智敬;陳忠仁;尹啟彥;朱敏琪;;氣相法白炭黑填充天然橡膠的裂紋擴展機理[J];高分子材料科學與工程;2016年04期

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5 李凡珠;劉金朋;楊海波;盧詠來;張立群;;橡膠材料單軸拉伸疲勞壽命預測的有限元分析[J];橡膠工業(yè);2015年07期

6 劉衍朋;翁更生;姚鴻;常愛軍;付坤;陳忠仁;劉欣;張慧慧;;天然橡膠/順丁橡膠共混膠體系裂紋生長行為的形態(tài)演變機理[J];高分子材料科學與工程;2015年03期

7 李凡珠;劉金朋;楊海波;盧詠來;張立群;;基于ABAQUS軟件二次開發(fā)的橡膠疲勞壽命計算結果的可視化[J];合成橡膠工業(yè);2015年02期

8 李凡珠;張樹柏;劉金朋;楊海波;盧詠來;張立群;;本構方程對橡膠材料裂紋尖端J積分有限元分析結果的影響[J];合成橡膠工業(yè);2015年01期

9 胡小玲;劉秀;李明;羅文波;;炭黑填充橡膠超彈性本構模型的選取策略[J];工程力學;2014年05期

10 危銀濤;方慶紅;金狀兵;馮希金;;填充橡膠本構模型研究進展[J];高分子通報;2014年05期

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5 汪艷萍;橡膠材料多軸疲勞壽命及微觀結構研究[D];天津大學;2007年

6 馬改陵;載重子午線輪胎橡膠材料時滯特性引起的滾動阻力分析[D];北京化工大學;2005年

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3 郝世武;載重輪胎滾動阻力及穩(wěn)態(tài)滾動溫度場研究[D];華南理工大學;2012年

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本文編號：1851176