钢丝帘线/橡胶复合材料弯曲疲劳失效机理的研究

自主设计并搭建基于隧道磁阻传感器的无损检测系统,对钢丝帘线/橡胶复合材料试样(简称试样)弯曲疲劳失效机理进行研究。结果表明:无损检测方法可对疲劳试验后试样内部的损伤状态进行评估,无损检测系统可实现试样缺陷的在线检测;疲劳缺陷的产生是损伤累积,钢丝帘线单丝断裂主要发生试样疲劳寿命的最后阶段;试样内部钢丝疲劳断裂为穿晶解理断裂,裂纹扩展过程中存在一定程度的微观不连续性,包括多次角度偏折与裂纹分支;试样内部钢丝疲劳断口具有典型的低周疲劳特点,存在多个疲劳源与撕裂台阶,疲劳源间偶见撕裂棱,无明显贝纹样,疲劳源附近表面光滑,断口形成了较平滑的微撕裂形貌与粗糙的撕裂台阶形貌。

帘线/橡胶复合材料轴向应力-应变的率相关预测模型研究

设计一种帘线/橡胶复合材料轴向应力-应变的率相关预测模型。利用自主搭建的静态拉伸实验装置和分离式霍普金森拉伸装置,开展帘线/橡胶复合材料试件轴向拉伸实验;构建帘线应变能函数,推导特定应变率下帘线/橡胶复合材料的轴向应力-应变关系式;提出应变能函数的率增强项,建立帘线/橡胶复合材料轴向应力-应变的率相关预测模型。研究表明:特定应变率下,轴向应力-应变理论曲线与实验曲线符合较好;不同应变率下,率相关模型预测曲线与实验曲线符合较好。

一种新的橡胶-帘线复合材料的模型及其参数识别方案

为了给工程应用提供简便而有效的数值计算方法,提出了橡胶-帘线复合材料的一种非线性数值模型。首先推导了这种模型的有限元格式,以便在ABAQUS软件基础上实现这种模型;然后在单胞有限元分析的基础上,将此类超弹性基体、长纤维增强复合材料等效为一种横观各向同性超弹性材料。给出的数值算例将此方法的计算结果与纤维、基体分别细分单元的有限元分析结果进行了比较,验证了该方法的有效性与实用性。

钢丝帘线／橡胶复合材料弹性模量散斑测定法

由钢丝帘线和橡胶组成的子午线轮胎带束层是属于一种特殊的复合材料。此复合材料中的钢丝帘线与橡胶两者的弹性模量相差十分悬殊，两者的刚度比很大，测定此类复合材料的弹性模量较为困难。本文叙述了用激光散斑法测定子午线轮胎带束层部位的材料弹性模量的原理。

纵向拉伸对尼龙帘线-橡胶复合材料横向拉伸力学性能影响的实验研究

采用十字形试件,在双轴拉伸条件下研究了尼龙帘线-橡胶复合材料单层板纵向定载荷对横向力学性能的影响和横向定载荷对纵向力学性能的影响。实验结果表明:纵向拉伸载荷对尼龙帘线-橡胶复合材料的横向拉伸力学性能有很大的影响。随着纵向拉伸载荷的增加,横向应力应变关系发生了很大的变化;横向拉伸强度先上升然后又下降;而其断裂变形和变形能却逐渐减小。横向拉伸载荷对尼龙帘线-橡胶复合材料的纵向拉伸力学性能影响却很小。这可能与材料纵向和横线拉伸性能差异太大有关。

帘线/橡胶复合材料帘线抽出力学行为的有限元模拟

采用有限元方法对帘线/橡胶复合材料的帘线抽出力学行为进行模拟。结果表明,帘线H抽出力的有限元方法计算结果与试验结果有较好的一致性;帘线的H抽出力和轴向应力均随基体半径和帘线埋入深度的增大而增大,基体半径和帘线埋入深度越小,抽出力学行为变化幅度越增大;埋入深度的影响大于基体半径;界面剪切应力在帘线埋入上、下端点处有突变现象。

帘线/橡胶复合材料各向异性黏-超弹性本构模型

帘线/橡胶复合材料广泛应用于轮胎等重要工程领域,为了描述其在服役条件下的大变形、非线性、各向异性和高应变率等材料力学行为,基于纤维增强复合材料连续介质力学理论,提出了一种考虑应变率效应的帘线/橡胶复合材料各向异性黏-超弹性本构模型.该模型中单位体积的应变能被解耦为便于参数识别的基体等容变形能、帘线拉伸变形能、剪切应变能和黏性应变能四部分.给出了模型参数的确定方法,并通过拟合文献中单轴拉伸、偏轴拉伸实验数据,得到了模型参数.利用该模型预测了不同加载和变形条件下的力学行为,并将预测结果与实验结果对比分析.结果表明,考虑黏性模型和不考虑黏性模型对不同应变率变形条件下的预测结果相差很大,且考虑黏性模型的预测结果与实验结果吻合很好.因此,与不考虑黏性模型相比,所提出的各向异性黏-超弹性本构模型能更好地表征帘线/橡胶复合材料在大变形、高应变率条件下的力学特性.

帘线/橡胶复合材料单层板拉伸模量预测方法研究

提出帘线/橡胶复合材料单层板的精确模量预测方法。首先,给出橡胶材料Mooney-Rivilin模型相关参数计算方法,推导帘线拉伸模量修正公式;其次,基于细观力学,建立帘线/橡胶复合材料数值模型,求解等效模量并进行试验验证;最后,提出帘线/橡胶复合材料单层板拉伸模量的预测公式,将预测公式所得到的等效模量与数值模型计算得到的等效模量进行对比。结果表明:帘线/橡胶复合材料数值模型建立方法是正确的;帘线/橡胶复合材料单层板拉伸模量预测公式能够较好的预测拉伸模量;研究方法能够为帘线/橡胶复合材料单层板的设计提供技术支撑。

轮胎帘线-橡胶复合材料的疲劳(三)

3．2．3 在静拉伸负荷下的声波放射 像此前讨论的那样，作为监控损坏累积的潜在技术，本研究评估了AE分析。在静拉伸试验到总损坏的整个期间监控了AE响应。采用C16（2层）和c3（4层）两种复合材料来获得帘线一橡胶复合材料的基本AE特性，特别是Felicity比值（FR）。

轮胎帘线-橡胶复合材料的疲劳(二)

（接上期） 2轮胎的层间剪切变形 已经用层间剪切测量技术来确定在轮胎带束层边部的剪切应变（Cembrola和Dudek，1985）。在进行试样的初步试验时，测定了轮胎带束层边部的层间剪切应变（Lee等，2002）。

轮胎帘线-橡胶复合材料的疲劳(四)

（接上期） 4．2．2．3帘线角度的影响在帘线角度影响的分析中也发现了所观察到的与导致帘线-橡胶叠层复合材料具有较短疲劳寿命有关的相关性。帘线角度增加会减小层问剪切应变（图10和图41），但会同时降低斜裁帘线-橡胶复合材料的强度。

轮胎帘线的性能及发展趋势

轮胎是一种典型的橡胶制品,然而将它描述成一种用帘线增强的橡胶-帘线复合物更准确。橡胶制品中,增强材料通常起承受载荷和保持制品尺寸稳定的作用,它对橡胶制品的性能和使用寿命起着决定性的作用。轮胎作为一种大型橡胶制品,一般必须满足四个基本的特性要求,即汽车的运载性能、牵引-制动性能——将牵引力和制动力传送到路面、乘坐舒适性——缓冲来自路面的冲击、以及可操纵性-方向稳定性——改变和保持汽车的方向,而轮胎帘线直接或间接地影响到以上四个功能的确定。尤其是承载性能,由于橡胶是一种高弹性和低模量的材料,在外力作用下极易产生形变,轮胎帘线几乎承受着所施加的全部负载,它对轮胎的耐久性能有着非常重要的影响,因此我们可以无可非议地称之为轮胎的骨架材料;其它三个性能要求都与轮胎的功能有关,所以我们将轮胎帘线作为一种功能材料来研究,以期达到最佳的使用状态。

子午线轮胎静负荷实验的有限元模拟

建立了一种子午线轮胎的三维非线性有限元模型,来模拟子午线轮胎的静负荷试验。模型中考虑了橡胶材料的非线性和不可压缩性、帘线-橡胶复合材料的各向异性、轮胎大变形导致的几何非线性以及轮胎与轮辋、轮胎与路面的接触非线性边界条件。提出了一种单元重叠技术,通过重叠不可压缩橡胶单元和描述帘线的单元来模拟帘线-橡胶复合材料,这种单元重叠技术产生的轮胎模型比正交各向异性模型计算过程更稳定。通过有限元分析,得到了子午线轮胎在充气压力和静负荷作用下的变形和应力分布情况以及接地区的压力分布情况,并将计算结果与试验结果进行了比较,两者吻合得很好。

子午线轮胎稳态滚动有限元分析

以MSC.Marc软件为平台,建立子午线轮胎的三维非线性稳态滚动有限元模型。在模型计算中,考虑了轮胎的静态载荷施加过程、自由滚动过程、完全刹车滑动过程、防抱死刹车过程和牵引过程,得到了轮胎接地面的接触应力分布情况及轮胎牵引力与转速之间的关系等结果,有利于进一步了解轮胎的动态性能。

帘线增强橡胶基复合材料双搭接层合板的拉伸性能

针对帘线增强橡胶复合材料结构连接形式,设计制备了不同搭接工艺参数的结构测试试样,采用二维数字图像技术,研究了其动静态拉伸性能。测试结果表明:随应变速率增加,帘线增强橡胶复合材料刚度、抗拉强度增大,而断裂伸长率基本不变;与无搭接试样比较,搭接试样抗拉强度均降低近50%;随搭接宽度增加,断裂伸长率逐渐减小,搭接宽度65 mm的试样相比无搭接试样断裂伸长率减小24%;阶段Ⅲ弹性模量相比阶段Ⅱ弹性模量均有明显增大,无搭接试样增大3倍,搭接试样增大1倍左右,且随着应变速率增加弹性模量的增幅减小。

粒子分离器鼓包柔性复合材料的本构模型研究

为了预测可变形粒子分离器鼓包复杂工况的力学行为,得到柔性帘线/橡胶复合材料结构的变形特性模型,基于连续介质力学的理论,建立了一种考虑帘线/橡胶之间剪切应变能的帘线/橡胶复合材料本构模型,通过ABAQUS的UANISOHYPER_INV接口编写各向异性超弹性材料的本构子程序,形成有效的帘线/橡胶复合材料的变形行为预测方法。结合橡胶材料Mooney—Rivilin本构模型,基于大变形不可压缩方法处理橡胶试验数据,运用最小二乘法拟合单轴拉伸试验数据,得到橡胶材料的参数C10=-0.27MPa与C01=1.12MPa;在橡胶超弹性本构的基础上,建立了帘线/橡胶复合材料的各向超弹性本构模型,并通过单轴拉伸试验拟合帘线和剪切应变能的参数;并进行单轴拉伸试验验证帘线/橡胶复合材料的各向超弹性本构模型。结果表明:拉伸变形量在20%内,数据吻合较好,进一步证明所建本构模型的准确性,为可变形粒子分离器鼓包有限元仿真分析奠定理论基础。

子午线轮胎充气和负荷加载数值分析

利用MSC.MARC软件对子午线轮胎的骨架材料进行三维非线性有限元计算,带束层、胎体和钢丝圈等部位采用rebar单元以及实体Herrmann单元进行模拟,橡胶材料采用Yeoh材料模型描述。轮胎在不同充气压力、不同负荷以及滚动状态下的受力计算结果与实际情况一致。采用该方法有助于改进轮胎结构设计、提高轮胎性能。

一种基于帘线/橡胶复合材料细观力学的精确建模方法

为研究适应性底座的受压膨胀力学特性,提出了一种基于纤维帘线/橡胶复合材料细观力学的精确建模方法。该方法建立在帘线与橡胶材料参数的准确取值这一基础上,其中橡胶材料采用Mooney-Rivilin本构模型进行描述,通过拉伸试验验证了本构模型的准确性,基于束帘线拉伸试验规律对帘线拉伸模量进行了修正。通过上述方法,对适应性橡胶底座受压膨胀过程进行了数值模拟与试验研究。结果表明:这一精确建模方法能够较好地模拟底座的受压膨胀特性,能够获取底座中帘线与橡胶材料的应力、应变的分布以及二者的变化规律。研究工作为适应性底座的进一步研究和实际应用提供了技术支撑。