帘线断裂时橡胶复合材料温度场数值模拟.pdf

单向帘线增强橡胶复合材料在周期载荷下的动态粘弹性 ① 刘宇艳② 谭惠丰 3 杜星文 3 (哈尔滨工业大学应用化学系 哈尔滨150001) ( 3 哈尔滨工业大学复合材料研究所 哈尔滨150001) 摘 要 研究了橡胶复合材料的疲劳行为发现:橡胶复合材料在疲劳过程中具有明显 的非线性粘弹性,材料的动态粘弹性在疲劳初期和末期表现出不同的趋势与其他脆性 复合材料不同,橡胶复合材料在疲劳过程中伴有较高的热生成橡胶复合材料的滞后损 失愈大,实际热生成温度愈高,其疲劳寿命降低愈明显 关键词 橡胶复合材料,疲劳,粘弹性 0 引言 橡胶复合材料是以帘线(聚酯、 人造丝、 钢丝等) 为增强材料、 橡胶为基体制成的复合材料,是轮胎等 结构体的重要组成材料近年来,橡胶复合材料的 研究一直备受关注,一些学者从不同角度开展了静 态性能的研究工作[124]相比之下,关于橡胶复合 材料在周期载荷下的疲劳研究较少虽然许多研究 工作试图从组分橡胶和帘线的角度来预报橡胶复合 材料的疲劳特性,但遗憾的是,至今未能为橡胶复合 材料的抗疲劳设计和寿命预报提供足够的信息 橡胶复合材料在周期载荷下较高的热生成温度 与其粘弹滞后性能具有密切的关系。

橡胶复合材料 对时间具有依赖性行为是它的一个重要特性,因此 研究其疲劳特性不能不研究其在周期载荷下的粘弹 性[5] 本文利用自行建立的疲劳试验系统,以单向帘 线增强橡胶复合材料为研究对象,揭示了在周期载 荷作用下橡胶复合材料的动态粘弹性及其变化规 律,研究了实际热生成温度对橡胶复合材料疲劳寿 命的影响 1 实验 1. 1 试件制备 本研究所选用的试件为单向帘线增强橡胶复合 材料,试件均为哑铃状,有效工作段尺寸为60mm× 25mm×27mm试件经模压成型,其组分参数见表1 表1 试件组分参数 试件种类复合材料基体帘线帘线体积含量 试件A聚酯/橡胶复合材料碳黑填充天然橡胶1500D/ 2聚酯帘线13. 4 % 试件B人造丝/橡胶碳黑填充天然橡胶29/ 92人造丝帘线10. 6 % 复合材料和丁苯橡胶 1. 2 测试条件 疲劳测试在自行建立的橡胶复合材料疲劳测试 系统上进行该系统由夹具、 动态加载、 温度记录、 数据采集和数据处理等五部分组成[6],它具有可连 续记录大变形(10 %)及可跟踪测试试件表面温度的 特点 为模拟实际轮胎复杂载荷的一个分量,进行了 常幅载荷控制的轴向拉2拉疲劳测试。

所施加的载 荷为正弦波形P=P0+P 3 sinwt,每个试件首先被 准静态拉伸至平均载荷P0,然后施加正弦载荷至所 需要的值试验频率为f= 5Hz ,环境温度为T = 24℃ 2 结果与讨论 2. 1 橡胶复合材料在周期载荷下的非线性粘弹性 在周期载荷下,橡胶复合材料表现出明显的非 —55— 刘宇艳等:单向帘线增强橡胶复合材料在周期载荷下的动态粘弹性 ① ② 女,1971年生,博士,副教授;研究方向:复合材料疲劳;联系人 (收稿日期:20012082 07) 黑龙江省自然科学基金(E002 13) 、 哈尔滨工业大学跨学科交叉性基金(HIT. MD2000. 20)资助项目 转载 中国中国科技论文科技论文 线性粘弹性非线性粘弹材料是指材料的应力2应 变关系不仅是时间(或频率)和温度的函数,而且是 应力大小的函数动态应力2应变行为的非线性来 自两个根源[7] :(a) 变形方式和试件几何形状所引 起的非线性应力2应变曲线 ; (b) 材料行为固有的非 线性,它显示在一切变形方式中很明显,橡胶复合 材料的非线性粘弹性主要来源于第二类 若材料表现出线性粘弹性行为,则它的滞后圈 应该是椭圆形的,椭圆的长轴位于图1所示的用虚 线表示的线弹性线上。

橡胶复合材料典型的滞后圈 如图2由图2可以看出,由于经受大的周期变形, 图2 橡胶复合材料在周期载荷下的滞后圈 橡胶复合材料呈现非线性应力2应变关系,滞后圈已 不再是规则的椭圆形状,滞后圈明显向下弯曲其 弯曲的程度非常明显,以至于滞后圈中代表拉伸阶 段的上部分曲线也位于线弹性线的下方滞后圈向 下弯曲的一个原因是应力硬化影响,当材料受拉时, 其模量也就是曲线的斜率随应力的增加而增加由 于橡胶复合材料在一周期内的模量是变化的,本文 采用循环模量Ep来描述在周期载荷下的刚度变化 循环模量Ep定义为: Ep= σmax εmax (1) 其中Smax为一周期内的最大应力,emax为一周期内的 最大应变 图4 人造丝帘丝/橡胶复合材料的滞后角随应力幅值的变化情况 性粘弹性区域,热稳定状态下,材料的滞后 角δ不应该依赖于所施加的应力幅值图3、4为试 件的δ随所施加应力幅值的变化情况可见:在所研 究的区域,随应力幅值的升高会导致δ增加,这再一 次表明所研究的橡胶复合材料具有非线性粘弹性 —65— 高技术通讯 2002. 04 中国科技论文 由于材料的非线性粘弹性,试件的应变响应不再为正 弦曲线,一周期内的滞后角也不再为常量。

但由于试 验手段的原因,本试验无法得到一周期内滞后角的变 化情况,只能得到一周期内的平均滞后角 2. 2 橡胶复合材料在疲劳过程中动态粘弹性能的 变化 在疲劳过程中,橡胶复合材料由于粘弹性产生 了能量损失,单位时间单位体积内的滞后损失能H 为: H = f h(2) 其中f为加载频率, h为每周期的滞后损失本试 验中材料的滞后损失h是通过动态分析仪采集到 的数据由计算机积分而得到的 图5 疲劳过程中试件循环模量的变化 图5、 图6、 图7是在疲劳试验中,试件的循环模 量Ep、 滞后角δ和每周期的滞后损失h随载荷循环 次数N的变化趋势由图5～7可见,材料的动态 粘弹性行为在疲劳初期和末期表现出不同的趋势 在疲劳过程中,循环模量Ep的变化经历了迅速下 降、 稳定下降、 最后在破坏点急剧下降这三个阶段 在临近破坏点时, Ep呈现最小值tgd的变化也分 为三个阶段,前两个阶段其变化趋势与Ep相同,在 破坏点却有所回升应力幅值减小,在经过初始变 化后, Ep、 δ的变化更趋于平稳,这可能是由于达到 了热稳定状态而每周期的滞后损失h则在疲劳 初期迅速增长到一稳定值后基本保持不变,达到破 坏点时突然增加。

曾有人认为[8],疲劳过程中滞后 损失的变化反映了材料的微观损伤,但在本研究未 发现二者具有明显的对应关系 图7 疲劳过程中试件滞后损失的变化 2. 3 疲劳试验中橡胶复合材料表面的温升 与脆性复合材料相比,突出的低刚度和粘弹性 使得橡胶复合材料在疲劳过程中伴随较高的热生 成例如,石墨/环氧复合材料在疲劳试验中表面温 升只有几摄氏度[9]而本研究发现:在疲劳试验 中,橡胶复合材料表面的温度T随载荷循环次数N 的增加而迅速升高(如图 8) 试件A的表面温度随 周期数的变化较大,可达到100℃,试件B则变化相 对较小,最大不超过35℃在同样的环境温度中, —75— 刘宇艳等:单向帘线增强橡胶复合材料在周期载荷下的动态粘弹性 中国科技论文 在周期载荷作用下试件A、B的表面温度却产生了 很大的差别试件表面的温升主要与滞后损失能及 热传导系数有关[10]试件A、B的导热系数分别为 01204w/ m℃和01219 w/ m℃ [11] ,二者差别不大 但是从图7可以看出,试件A、B的滞后损失能差别 较大,试件A可达20kJ/ m3cycle ,而试件B只有 4kJ/ m3cycle ,约为试件A的20 %。

滞后损失的不同 是造成试件A、B的表面温度差异的主要原因 2. 4 实际热生成对橡胶复合材料疲劳寿命的影响 图9给出实际表面温度升高的绝对值与疲劳寿 命Nf的关系由图9可见,当实际热生成温度升高 时,聚酯/橡胶复合材料的疲劳寿命明显降低,而人 造丝/橡胶复合材料则略有下降从图8可以看出: 图9 试件表面温度随疲劳寿命的变化 在疲劳试验过程中,如果试件的表面温度一直呈上 升趋势,则试件很快破坏若试件表面温度升高到 某一值后出现稳态的平台,那么试件的疲劳寿命会 很长,甚至不破坏这是因为当材料表面温升较高 时,由于橡胶的导热性差,热量不易散失,导致橡胶 基体的老化和纤维2基体间界面脱粘,加速了材料的 破坏而温升较低时,材料由于滞后损失产生的热 量能与周围环境达到平衡,试件出现稳态温度,温度 对疲劳损伤的影响小若材料内部存在过热点,长 时间作用下也有破坏的可能 3 结论 (1)橡胶复合材料在周期载荷下呈现出明显的 非线性粘弹性 (2)橡胶复合材料的动态粘弹性行为在疲劳初 期和末期表现出不同的变化趋势 (3)橡胶复合材料的滞后损失愈大,实际热生 成温度愈高,疲劳寿命降低愈明显 参考文献: [1] Du Xingwen , Zhang Qiuhua , et al.Elastomers and Plas2 tics, 1995 , 27(1) : 91 [2] Chow C L , Cundiff C H.Tire Science and Technology, 1987 , 15(2) : 73 [3] Huang Y S, Yeoh O H.Rubber Chemistry Technology , 1989 , 62 : 709 [4] Tabaddor F , Clark S K, et al.Tire Science and Technolo2 gy, 1986 , 14(2) : 75 [5] Willett P R.Rubber Chemistry and Technology ,1974 , 47 : 363 [6]刘宇艳,吴松全,万志敏等.材料研究学报, 1999 , 13 (1) : 110 [7]杨挺青.粘弹性力学.武汉:华中理工大学出版社, 1990. 69 [8] Echtermeyer A T , Engh B , Buene L.Composites, 1995 , 26(1) : 10 [9] Camponeschi E T. An investigation of stiffness reduction as an indication of fatigue damage in graphite/ epoxy compos2 ites:[MS thesis]. Blacksburg , Virginia: VPI , 1980. 98 [10]刘宇艳.橡胶复合材料的疲劳:[博士学位论文].哈尔 滨:哈尔滨工业大学工学复合材料研究所, 1998. 53 [11]王友善.橡胶复合材料热传导特性和损失特性研究: [硕士学位论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学复合材料 研究所, 1996. 20 —85— 高技术通讯 2002. 04 中国科技论文 Dynamic Viscoelastic Properties of Unidirectional Rubber Composites under Periodic Loading Liu Yuyan , Tan Huifeng 3 , Du Xingwen 3 (Department of Applied Chemistry , Harbin Institute of Technology , Harbin 150001) ( 3 Center for Composite Materials , Harbin Institute of Technology , Harbin 150001) Abstract The effect of surface temperature on the fatigue2life of rubber composites was also examined. The results in2 dicate that rubber composites show distinctly nonlinear viscoelasticity.The dynamic visc。