非充气轮胎的结构设计与力学性能

阐述充气轮胎具有在粗糙路面滚动时能量损失低以及垂直刚度和接地压力较小、承载效率较高的优势以及不抗刺扎、易爆胎、运转不平稳的不足。介绍两款典型的非充气轮胎——辐条式非充气轮胎和蜂巢式非充气轮胎的结构和力学性能。与传统充气轮胎相比,非充气轮胎不仅垂向刚度和接地压力解耦,垂向刚度、侧向刚度、扭转刚度也不再是强耦合关系,这极大地拓展了轮胎的设计空间,仅通过调整剪切带及轮辐的结构和几何参数就可以有效地优化轮胎的性能,但非充气轮胎也存在很多问题,使其仍处于设计研发阶段。今后非充气轮胎的市场需求将不断扩大,其结构和力学性能将不断改进,使非充气轮胎成为轮胎领域的一大品种。     

橡胶材料循环加载的本构行为及数值拟合

使用电子万能材料试验机对炭黑填充的橡胶材料进行单轴循环加载,对稳定后的应力-应变曲线进行数值拟合。对加载段的应力-应变曲线采用Marlow,Arruda Boyce,Van der Waals和Yeoh等超弹性本构模型进行描述,对卸载段的应力-应变曲线采用Mullins模型,即应力软化模型进行描述,对永久变形行为采用塑性变形模型进行描述,并使用反分析方法确定Mullins方程的参数。结果表明,Marlow超弹性模型对加载段的应力-应变曲线拟合效果最好,Mullins模型可较好地描述大应变时卸载段的应力-应变曲线,但无法拟合出材料的永久变形行为;将Marlow超弹性本构模型、Mullins模型以及塑性变形理论相结合,可以精确地描述橡胶材料的循环加载与卸载条件下的应力应变行为。     

Haake密炼机三维流场的非等温数值模拟研究

本文利用流体力学计算软件FLUENT对69cm3哈克密炼机内的聚合物熔体进行了三维非等温非稳态数值模拟,得到了三维流场的瞬时温度分布,并对熔体与密炼室之间的热量传递过程进行了分析。当粘性耗散生热量等于向外传热量时,达到热平衡状态,熔体平均温度不再变化。由于聚合物熔体具有较高的粘性生热,仅靠自然对流不足以使密炼室壁保持初始的设定温度,壁温会有所增加。流场的混合指数分布说明混合流场中剪切流动占主导地位,还包括一小部分拉伸流动和收敛流动。     

哈克密炼机三维流场的非等温数值模拟研究

利用流体力学计算软件Fluent对69 cm~3哈克密炼机内的聚合物熔体进行了三维非等温非稳态数值模拟,得到三维流场的瞬时温度分布,并对熔体与密炼室之间的热量传递过程进行了分析。结果表明:当粘性耗散生热量等于向外传热量时,达到热平衡状态,熔体平均温度不再变化。由于聚合物熔体具有较高的粘性生热,仅靠自然对流不足以使密炼室壁保持初始的设定温度,壁温会有所增加。流场的混合指数分布说明混合流场中剪切流动占主导地位,还包括一小部分拉伸流动和收敛流动。     

实心橡胶轮胎非线性粘弹性生热行为和滚动阻力的热力耦合分析

基于非线性粘弹性理论和热力耦合的有限元分析方法研究天然橡胶纳米复合材料制备的实心轮胎的瞬态温升行为和滚动阻力特性。热力耦合分析包含变形分析、热源分析和热传递分析3个相互关联的步骤。变形分析中,橡胶的超弹性本构方程基于单轴拉伸、平面拉伸和等双轴拉伸试验数据,采用100阶傅里叶正弦级数精确地分析轮胎滚动一周的应变响应历史数据;热源分析中,基于试验数据和自编算法建立热源与加载应变、频率、温度以及加载周次间的函数关系;热传递分析中,同样基于试验数据建立橡胶热学参数与温度的关系。采用滚动阻力测试仪验证数值结果,证实所提出的算法预测轮胎滚动阻力和瞬态温度分布的可靠性。最后基于参数化数值试验研究不同加载位移和转速条件下热导率和损耗因子对轮胎温升和滚动阻力的定量影响。该研究可为高性能轮胎设计提供理论指导和相关分析方法。     

圆柱形橡胶试样压缩变形有限元分析的超弹性本构方程对比研究

采用有限元分析方法预测圆柱形橡胶试样的压缩变形,并与试验数据进行对比,判断不同本构方程的计算精度。结果表明:对于应力-应变试验,仅采用单轴拉伸(UT)试验数据拟合本构方程时,不能单纯依赖拟合精度判断本构方程的优劣;同时采用UT、平面拉伸(PT)和等双轴拉伸(ET)试验数据拟合本构方程时,整体计算精度大幅提升,且可依据拟合精度判断超弹性本构方程的优劣。对于超弹性本构方程,若提供UT,PT和ET试验数据,宜选用拟合精度高的O_Ni,P_Ni,VdW,Marlow等方程;而在仅有UT数据的情况下,则宜选用RP_Ni,AB,Marlow等方程。     

本构方程对橡胶材料裂纹尖端J积分有限元分析结果的影响

以电子万能试验机得到的橡胶材料的应力-应变曲线为原始数据,在Abaqus有限元分析软件中拟合了17种高弹性本构方程,对比了各本构模型的拟合结果和稳定性,分别将其作为材料模型,对含裂口的纯剪切试件裂纹尖端的J积分进行分析,并将计算结果与实验数据进行了对比。研究表明,本构模型对于裂纹尖端的J积分数值影响较大,各个模型的分析精度有所不同,故在橡胶材料的有限元分析中需要特别注意材料模型的选取。     

橡胶复合材料中炭黑微观结构图像的拟合算法

将炭黑聚集体视为由多个圆形原生粒子构成,对橡胶复合材料中炭黑聚集体形态进行图像拟合分析。基于炭黑补强橡胶复合材料的微观结构图像,在采用图像分割和阈值迭代等方法处理图像背景缺陷的基础上,研究了轮廓骨架算法、最大内切圆算法和K-means聚类算法3种拟合算法处理炭黑聚集体图像,并用峰值信噪比和结构相似度2个指标对图像拟合效果进行评价。结果表明,轮廓骨架算法拟合炭黑聚集体形态效果最优,更适用于炭黑补强橡胶复合材料微观结构重构时对炭黑聚集体形态的描述。     

非充气轮胎弹性支撑体的疲劳寿命仿真分析研究

非充气轮胎不存在爆胎风险,疲劳性能是其设计过程中重点关注的性能指标。本工作基于橡胶材料的疲劳裂纹扩展理论和临界平面分析法,运用Abaqus和Endurica软件联合仿真的有限元分析方法,进行了非充气轮胎弹性支撑体的疲劳寿命预测;系统分析了有限元网格类型及网格尺寸对非充气轮胎弹性支撑体的疲劳寿命的影响,从而为高性能、长寿命非充气轮胎的优化设计提供理论和技术支撑。     

圆柱形橡胶试样硫化过程的有限元分析与实验研究

利用低场核磁交联密度测定仪分析不同硫化时间下橡胶材料的交联密度，并与相同时刻下盘式硫化仪测得的扭矩对比，定量地发现扭矩与交联密度近似成线性关系。通过有限元传热分析和硫化程度场分布的二次算法开发，圆柱形橡胶试样表面和芯部的温升历程和硫化程度的仿真结果与实验数据高度吻合。该研究对于橡胶制品的硫化工艺设计提供参考。