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子午线轮胎有限元分析第4讲帘线_橡胶复合材料

第1期

子午线轮胎有限元分析

第4讲 帘线2橡胶复合材料

洪宗跃,吴桂忠

(北京橡胶工业研究设计院,北京 100039)

中图分类号:U463.341+.6;O241.82  文献标识码:E  文章编号:100628171(2006)0120055207

  帘线2橡胶复合材料是一种较为特殊的复合材料,在橡胶制品中有着广泛的应用,尤其是在轮胎中起着重要的作用。橡胶起密封气体、提供轮胎与地面抓着力的作用,帘线则承担大部分负荷。二者结合构成性能优异的帘线2橡胶复合材料。子午线轮胎的材料主要有两种:一种是纯胶料材料,包括胎面胶、胎肩垫胶、胎侧胶、胎圈护胶、三角胶和气密层胶等;第二种是帘线2橡胶复合材料,包括胎体、带束层、胎圈加强层和钢丝圈等。

本讲将从帘线2橡胶复合材料的组分———橡胶和帘线出发,用弹性力学的观点和方法,研究帘线2橡胶复合材料的力学性能,表述帘线2橡胶复合材料的工程常数,最后推导出材料常数的计算公式。

1 橡胶的力学性能

111 橡胶的应力2应变关系

纯橡胶是无法使用的,为了获得良好的力学性能,需要在纯胶中加入各种填充材料,并配以适当的硫化体系进行硫化。硫化胶的力学性能是时间和温度的函数,其静态模量2时间形变曲线呈现出明显的3种形态:玻璃态、高弹态和粘流态。在此所讨论的橡胶力学性能均为硫化胶在高弹态下所表现出来的力学性能。

橡胶材料是一种大变形、不可压缩超弹性的材料,橡胶力学中通常选择100%~500%变形范围内的定伸模量或定伸应力等指标作为研究对象。但在实际应用中,轮胎橡胶的变形受帘线的约束,其应变小于10%,因此在帘线2橡胶复合材料结构分析中使用的是橡胶的初始模量(变形小于10%)。

在此前提下,弹性模量与应变近似呈线性关系,不考虑橡胶在加工时的定向及部分结晶,橡胶的各向异性将消失。因此,根据弹性理论,可对橡胶做如下假设:连续性、小应变、线弹性、均匀性、各向同性和无初应力。将橡胶简化为线弹性的各向同性材料可以满足求解的需要。

112 橡胶的弹性常数

橡胶材料是一种双模量材料,具有不可压缩性,假设在小应变范围内是线弹性。由于炭黑以及各种配合剂在橡胶中可以充分混合,橡胶可以视为均质的;不考虑胶料在加工时(压延、挤出)的定向及部分
结晶,其各向异性消失;橡胶的粘弹性暂不考虑,这样可将硫化胶看作是线弹性、均质、各向同性的不可压缩的工程材料。

橡胶材料是一种双模量材料,具有不可压缩性,假设在小应变范围内是线弹性。由于炭黑以及各种配合剂在橡胶中可以充分混合,橡胶可以视为均质的;不考虑胶料在加工时(压延、挤出)的定向及部分结晶,其各向异性消失;橡胶的粘弹性暂不考虑,这样可将硫化胶看作是线弹性、均质、各向同性的不可压缩的工程材料。

橡胶弹性具有低模量、大变形、外力去掉后迅速恢复但恢复不完全的特点。由热力学第一定律和第二定律可知,橡胶的弹性来自熵的变化,在小变形时,橡胶体积的稍微膨胀虽然引起内能变化,但数值很小,接近理想状态,而熵的变化非常大,因此橡胶的弹性是熵弹性。

1940年,Moo ney通过大量试验研究得到橡胶弹性力学的表达式。Mooney得到的半经验公式解决了非线性弹性理论中最难的问题之一,给出了弹性势函数的具体形式,同时试验证实了橡胶是不可压缩的材料。正是在这个基础上,从1948年起,Rivlin用半逆法获得了一系列简单而重要问题(圆柱体扭转、立方体弯曲等)的精确解,

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