天然橡膠納米復(fù)合材料的疲勞失效和滯后溫升性能熱力耦合的模擬研究.pdf

1、橡膠作為一種戰(zhàn)略物資和重要的工程材料被廣泛地應(yīng)用于輪胎、輸送帶、減振支座等處于動(dòng)態(tài)工況的制品中。橡膠材料的粘彈性特征使其在動(dòng)態(tài)工況作用下出現(xiàn)彈性?xún)?chǔ)能和粘性耗散兩大響應(yīng)。彈性?xún)?chǔ)能響應(yīng)促使橡膠內(nèi)部的原始微裂紋，或稱(chēng)為裂紋前兆體，不斷擴(kuò)展直至材料破壞，即材料出現(xiàn)疲勞失效問(wèn)題;粘性耗散響應(yīng)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(wèn)題，上升的溫度反過(guò)來(lái)影響材料的力學(xué)和熱學(xué)屬性，即熱力耦合問(wèn)題。疲勞失效和滯后溫升是橡膠材料面臨的兩大復(fù)雜問(wèn)

2、題。而橡膠納米復(fù)合材料因其多尺度多層次的復(fù)雜相互作用使得傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(guān)系，且實(shí)驗(yàn)測(cè)試和表征手段具有周期長(zhǎng)，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(wèn)題的有效手段，該方法可為橡膠材料及其制品的設(shè)計(jì)提供前期指導(dǎo)。其中，橡膠材料可靠的本構(gòu)方程是獲取高精度有限元計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵因素之一。
　　基于上述研究背景，本論文采用有限元模擬方法圍繞天然橡膠納米復(fù)合材料的疲勞失效

3、與滯后溫升問(wèn)題開(kāi)展了深入細(xì)致的研究。
　　(1)從應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和超彈性本構(gòu)方程兩個(gè)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(jié)有限元分析中炭黑填充天然橡膠材料超彈性本構(gòu)方程的選取方法以及各個(gè)方程的擬合精度。對(duì)于采用的應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō):僅采用單軸拉伸(UT)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合本構(gòu)方程時(shí)，不能單純依賴(lài)擬合精度判斷本構(gòu)方程的優(yōu)劣;同時(shí)采用UT，平面拉伸(PT)和等雙軸拉伸(ET)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合本構(gòu)方程時(shí)，其整體計(jì)算精

4、度大幅度提升，且可依據(jù)擬合精度判斷超彈性本構(gòu)方程的優(yōu)劣。對(duì)于選用的超彈性本構(gòu)方程而言，若提供UT，PT和ET實(shí)驗(yàn)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(guò)實(shí)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(jì)算結(jié)果與撕裂能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，進(jìn)一步指出采用UT，PT和ET實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬

5、合超彈性本構(gòu)方程的必要性。而對(duì)于橡膠材料準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)加載的力學(xué)本構(gòu)方程分析，Marlow方程對(duì)加載段的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)擬合效果最好，Mullins方程可用于描述大應(yīng)變時(shí)卸載段的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，而將Marlow方程與Mullins方程以及塑性變形模型相結(jié)合，可以精確地描述橡膠材料循環(huán)加載的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)及永久變形行為。該工作對(duì)于橡膠材料及其制品有限元設(shè)計(jì)前期的材料參數(shù)確定奠定基礎(chǔ)。
　　(2)基于橡膠疲勞裂紋擴(kuò)展理論實(shí)現(xiàn)啞鈴型圓柱天然橡膠試件

6、單軸加載條件下的疲勞壽命的有限元計(jì)算。通過(guò)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(jì)算結(jié)果包括材料首先發(fā)生破壞的位置，疲勞壽命以及裂紋擴(kuò)展平面的法向角度。利用Python語(yǔ)言編寫(xiě)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)疲勞壽命和裂紋擴(kuò)展平面法向角的結(jié)果可視化。提出通過(guò)疲勞壽命（S-N)數(shù)據(jù)而非疲勞裂紋擴(kuò)展速率-撕裂能(da/dN-T)數(shù)據(jù)計(jì)算Thomas模型的冪律指數(shù)（F)與載荷比(R）的關(guān)系，結(jié)果

7、表明在0＜R＜0.3時(shí)，F(xiàn)與R呈二次或三次函數(shù)關(guān)系。提出基于S-N數(shù)據(jù)和迭代算法反推橡膠材料內(nèi)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(dòng)性源于材料內(nèi)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(fù)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(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶行為對(duì)于疲勞壽命的影響。該工作對(duì)于理解疲勞破壞機(jī)理和指導(dǎo)設(shè)計(jì)高疲勞壽命橡膠

8、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(xiàn)性粘彈性理論，編寫(xiě)出計(jì)算圓柱型天然橡膠試件在動(dòng)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(gè)模塊。變形分析中，通過(guò)UT，PT和ET數(shù)據(jù)確定可靠地超彈性本構(gòu)方程;熱源分析中，通過(guò)修正Kraus方程和線(xiàn)性插值法建立損耗模量與溫度，應(yīng)變和頻率的函數(shù)關(guān)系;熱傳遞分析中，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別建立導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容與溫度的依賴(lài)關(guān)系，同時(shí)采

9、用高精度的動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試儀追蹤橡膠試件表面和內(nèi)部的溫度歷史，以驗(yàn)證瞬態(tài)溫升曲線(xiàn)的有限元計(jì)算結(jié)果。系統(tǒng)提出蠕變效應(yīng)和動(dòng)態(tài)模量軟化效應(yīng)對(duì)橡膠材料滯后溫升的影響和機(jī)理，并指出動(dòng)態(tài)模量軟化效應(yīng)對(duì)于橡膠材料滯后溫升分析是必要的?；谏鲜鏊惴?，通過(guò)參數(shù)化數(shù)值實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究比熱容，導(dǎo)熱系數(shù)和滯后因子等材料參數(shù)對(duì)于滯后溫升行為的影響。結(jié)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(dǎo)熱系數(shù)越高，芯部溫度越低，表

10、面溫度越高，內(nèi)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（tanδ）呈線(xiàn)性遞增關(guān)系，tanδ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(xiàn)性粘彈性理論編寫(xiě)出可預(yù)測(cè)實(shí)心橡膠輪胎在不同壓縮位移和轉(zhuǎn)速條件下的瞬態(tài)溫升和滾動(dòng)阻力的算法。通過(guò)輪胎和地面的接觸分析提取輪胎滾動(dòng)一周的主應(yīng)變值，應(yīng)變幅值設(shè)為三種主應(yīng)變平均值的一半，采用100階傅里葉正弦級(jí)數(shù)對(duì)應(yīng)變幅值數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)

11、精確擬合。提出采用二維軸對(duì)稱(chēng)幾何模型預(yù)測(cè)三維實(shí)心輪胎滾動(dòng)阻力和瞬態(tài)溫升分布的有效方法，并采用橡膠材料滾動(dòng)阻力測(cè)試儀驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的可靠性。結(jié)果表明瞬態(tài)溫度隨轉(zhuǎn)速和壓縮位移的增加均呈上升趨勢(shì)，滾動(dòng)阻力隨加載位移增加而增加，卻隨轉(zhuǎn)速加快而下降。同樣利用參數(shù)化數(shù)值實(shí)驗(yàn)定量研究導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)輪胎穩(wěn)態(tài)溫升量的影響，以及損耗因子對(duì)穩(wěn)態(tài)溫升和滾動(dòng)阻力的影響。結(jié)果表明導(dǎo)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;tanδ值增加，表面和芯部穩(wěn)