簾線-橡膠復(fù)合材料的壓縮失效模式研究

簾線橡膠復(fù)合材料的壓縮失效模式研究第9期舒涼簾線一橡膠復(fù)合材料的壓縮失效模式研究簾線一橡膠復(fù)合材料的壓縮失效模式研究舒涼上海市徐匯區(qū)田林東路100弄36樓702室200265摘要試驗(yàn)研究簾線一橡膠復(fù)合材料的壓縮失效模式結(jié)果表明,簾線一橡膠復(fù)合材料在較小的循環(huán)壓縮負(fù)荷下即可發(fā)生破壞高分子材料分子內(nèi)摩擦產(chǎn)生的高溫對(duì)材料性能的影響遠(yuǎn)超過環(huán)境溫度的影響,采用低滯后高分子材料對(duì)提高簾線一橡膠復(fù)合材料的抗壓縮性能有利關(guān)鍵詞簾線橡膠失效模式壓縮負(fù)荷中圖分類號(hào)TQ330389TQ3361文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B文章編號(hào)10068171200809051504簾線一橡膠復(fù)合是輪胎增強(qiáng)最廣泛采用的形式之一對(duì)于簾線一橡膠復(fù)合材料的拉伸力學(xué)特性已進(jìn)行了廣泛且較深入的研究,有大量文獻(xiàn)報(bào)道而對(duì)于簾線一橡膠復(fù)合材料的壓縮特性,特別是壓縮失效模式以及失效機(jī)理等仍存在一些值得探討的問題通常,簾線具有較高的拉伸剛度和拉伸強(qiáng)度,在簾線一橡膠復(fù)合材料受到拉伸負(fù)荷時(shí),簾線承受大部分負(fù)荷根據(jù)力學(xué)常識(shí),簾線只在受到超過其拉伸強(qiáng)度的負(fù)荷時(shí)才產(chǎn)生斷裂,而純壓縮力很難使其破壞但從對(duì)大量輪胎中簾線一橡膠復(fù)合材料因受壓縮而破壞的局部進(jìn)行微觀分析來看,簾線一橡膠復(fù)合材料在受到較大壓縮力的區(qū)域出現(xiàn)簾線斷裂的現(xiàn)象在輪胎使用中,經(jīng)常會(huì)遇到由于壓縮變形造成簾線一橡膠復(fù)合材料破壞的現(xiàn)象這種破壞多發(fā)生在胎側(cè)最大屈撓區(qū),如零氣壓輪胎的破壞以及在我國(guó)市場(chǎng)上出現(xiàn)最多的輪胎破壞現(xiàn)象胎側(cè)受沖擊鼓包等上述破壞現(xiàn)象大都與簾線一橡膠復(fù)合材料的壓縮失效有關(guān)要從輪胎設(shè)計(jì)角度防止這類破壞現(xiàn)象,簾線一橡膠復(fù)合材料的抗壓縮強(qiáng)度是一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)深入理解簾線一橡膠復(fù)合材料的壓縮失效模式,無疑會(huì)對(duì)分析上述輪胎破壞現(xiàn)象及提出解決方法提供幫助本工作通過試驗(yàn)觀察,驗(yàn)證及理論分析,對(duì)簾線一橡膠復(fù)合材料的壓縮失效模式進(jìn)行研究,以揭作者簡(jiǎn)介舒涼1951,男,江蘇南京人,輪胎力學(xué)博士,資深輪胎專家,多年在國(guó)際知名輪胎公司從事輪胎設(shè)計(jì)與研究工作示在受到壓縮負(fù)荷的簾線一橡膠復(fù)合材料中簾線斷裂的力學(xué)機(jī)理,以期對(duì)提高簾線一橡膠復(fù)合材料的抗壓縮負(fù)荷能力提供理論及設(shè)計(jì)參考1實(shí)驗(yàn)11試樣試樣為由簾線一橡膠復(fù)合材料構(gòu)成的短圓柱體見圖1,直徑為165MM,長(zhǎng)度為254MM試樣由輪胎常用胎體膠料和簾線構(gòu)成,簾線沿圓柱體長(zhǎng)度方向平行排列,均勻分布在圓柱的圓截面上,共計(jì)150根一圖1簾線橡膠復(fù)合材料試樣12試驗(yàn)方案為了研究溫度及負(fù)荷對(duì)壓縮失效的影響,試驗(yàn)分兩組進(jìn)行,采用不同的溫度與負(fù)荷組合,壓縮負(fù)荷方向?yàn)樵嚇虞S向第1組采用較高環(huán)境溫度100,試驗(yàn)在封閉的試驗(yàn)箱中進(jìn)行,壓縮負(fù)荷為1L2N第2組在室溫25下進(jìn)行,壓縮負(fù)荷為314N516輪胎工業(yè)2008年第28卷兩組試樣最大壓縮位移均為55MM,負(fù)荷加載和卸載的頻率均為1800次MIN_,直至試樣發(fā)生破壞,加載和卸載模式如圖2所示從圖2可以看出,壓縮負(fù)荷的施加是從零加至最大規(guī)定試驗(yàn)負(fù)荷,用以模擬輪胎在正常使用中實(shí)際發(fā)生的加載一卸載循環(huán)疲勞模式LLLL,八八八八八/,時(shí)陌圖2負(fù)荷加載和卸載模式2結(jié)果與討論壓縮試驗(yàn)后的試樣如圖3所示從圖3可以看出,壓縮負(fù)荷的確可以造成簾線一橡膠復(fù)合材料的破壞,破壞現(xiàn)象為橡膠的撕裂和簾線的斷裂A第1組B第2組圖3壓縮試驗(yàn)后的試樣試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),第2組試樣的破壞時(shí)間比第1組短得多,由此可見,負(fù)荷對(duì)試樣破壞的影響明顯大于溫度的影響21條件假設(shè)進(jìn)行下一步研究之前先進(jìn)行假設(shè),假設(shè)簾線一橡膠復(fù)合材料是不可壓縮體從高分子材料的物理特性及彈性力學(xué)觀點(diǎn)來看,該假設(shè)非常貼近實(shí)際不可壓縮的物體無論受到何種外力的作用,其體積在受力前后的變化應(yīng)滿足下式V0一V11式中受力前體積V受力后體積也可以說,外力的施加只能改變不可壓縮體的形狀,而不能改變其體積立方體的體積可用如下公式表示VOAXYZ2變形后的體積可用下式表示V一XUYVZW3由式13可以得出XYZAXUAYVZV4式24中AX,AY和Z分別表示立方體的3個(gè)邊長(zhǎng),己,R和W分別表示沿著3個(gè)方向的位移根據(jù)材料力學(xué)對(duì)物體應(yīng)變的定義,沿3個(gè)方向的應(yīng)變分別為EXU/AXYV/YZWZ根據(jù)式4及物體的應(yīng)變公式可以導(dǎo)出不可壓縮體的表達(dá)式XEYZ一05式5的物理含義為不可壓縮體受力變形后,其所有方向應(yīng)變的總和等于零22壓縮破壞分析從輪胎胎側(cè)靠近內(nèi)壁處取出一個(gè)簾線一橡膠復(fù)合材料立方體見圖4來做進(jìn)一步分析,此處是輪胎中最易受到壓縮破壞的區(qū)域圖4中X方向?qū)?yīng)輪胎的圓周方向,Y方向?qū)?yīng)輪胎胎側(cè)的厚度方向,Z方向?qū)?yīng)輪胎的徑向方向,以下分析3個(gè)方向的應(yīng)變1EZ首先討論Z方向即輪胎徑向方向的應(yīng)變胎側(cè)部分區(qū)域受力分析如圖5所示,圖中為總壓縮應(yīng)力,為純壓縮引起的壓縮應(yīng)力,盯為純第9期舒涼簾線一橡膠復(fù)合材料的壓縮失效模式研究517ZA變形前YSZA變形后圖4簾線橡膠復(fù)合材料立方體變形前后示意域小廠皿一I圖5Z方向應(yīng)力分析彎曲引起的壓縮應(yīng)力,一DR從圖5可以看出,這段胎側(cè)受到徑向壓縮和彎曲兩種力的作用,這兩種力的作用都在胎側(cè)內(nèi)壁處造成壓縮應(yīng)變,總壓縮應(yīng)變等于這兩種應(yīng)變之和2XX方向應(yīng)變分析如圖6所示從圖6可以看出,X方向也是壓縮應(yīng)變,這是由于當(dāng)輪胎經(jīng)受徑向負(fù)荷變形后,胎側(cè)最大屈撓區(qū)與輪胎回轉(zhuǎn)軸的距離從R變成R1,而EXU/X一27CR一R/27CR一R,一R/R,由于R小于R,因圖6X方向應(yīng)變分析此E是負(fù)值,即壓縮應(yīng)變3EY由式5可以得出EY一一XEZ由于X和均為負(fù)值,即壓縮應(yīng)變,因此V必為正值,即拉伸應(yīng)變,且Y方向的拉伸應(yīng)變值大于任何其它方向的應(yīng)變值通常,如果一個(gè)簾線一橡膠復(fù)合材料立方體同時(shí)受到3個(gè)方向的壓縮力,則這個(gè)立方體是很不容易被破壞的,而存在于Y方向的較大拉伸應(yīng)變正是簾線一橡膠復(fù)合材料立方體被破壞及簾線斷裂的根本原因Y方向應(yīng)變導(dǎo)致簾線一橡膠復(fù)合材料立方體被破壞甚至簾線斷裂有2種可能的路徑1Y方向的局部拉伸應(yīng)變較大,且其方向垂直于簾線的長(zhǎng)度方向,造成簾線與橡膠的邊界產(chǎn)生裂縫見圖7一旦裂縫出現(xiàn),材料分子間的內(nèi)摩擦由材料的機(jī)械摩擦代替,這將消耗大量能量,從而產(chǎn)生大量的熱,簾線的物理性能在高溫條件下快速衰減,導(dǎo)致簾線斷裂2為了保持簾線一橡膠復(fù)合材料的連續(xù)性,簾線的應(yīng)變水平必須與橡膠在各方向的應(yīng)變水平一致較大的Y方向拉伸應(yīng)變使得簾線彎曲見圖7,從而使簾線具有拉伸應(yīng)變分量,而簾線的拉伸剛度遠(yuǎn)高于橡膠,由這個(gè)應(yīng)變分量所產(chǎn)生的拉伸力不僅在局部可能達(dá)到很高值,而且是循環(huán)加載一卸載的疲勞模式,這足以使簾線疲勞斷裂破壞分簾線局部產(chǎn)生較大拉伸應(yīng)力橡膠與簾線邊界產(chǎn)生裂縫圖7簾線一橡膠復(fù)合材料破壞示意從圖3中也可以較容易地觀察到,裂縫多發(fā)生在簾線和橡膠的邊界處分析原因認(rèn)為,曲梁的彎曲除了壓縮負(fù)荷外,也伴隨著較大的剪切力應(yīng)力集中易發(fā)生在材料剛度急劇變化的部位,而簾線與橡膠的邊界正是材料剛度急劇變化的518輪胎工業(yè)2008年第28卷部位在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),高環(huán)境溫度,低負(fù)荷試樣的破壞時(shí)間比低環(huán)境溫度,高負(fù)荷試樣明顯延長(zhǎng)即使承受高負(fù)荷的試樣僅在室溫狀態(tài)下開始試驗(yàn),實(shí)際上由于高分子材料的滯后性,循環(huán)負(fù)荷作用使得試樣內(nèi)部溫度急劇上升,試樣在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的內(nèi)溫這種由分子內(nèi)摩擦產(chǎn)生的高溫對(duì)材料性能的影響遠(yuǎn)超過環(huán)境溫度的影響由此可以得出,使用低滯后高分子材料對(duì)提高簾線一橡膠復(fù)合材料的抗壓縮性能有利據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),如果橡膠材料受到絕對(duì)值大小相同的力,那么橡膠材料在受到壓縮力時(shí)比受到拉伸力時(shí)產(chǎn)生的熱量更多最后討論復(fù)合材料中的簾線從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,簾線承受壓縮負(fù)荷的能力非常低在圓柱試樣斷面上分布了150根簾線,即便按最大試驗(yàn)負(fù)荷314N計(jì)算,每根簾線也只受到了2O9N的負(fù)荷如果簾線僅受到209N的拉力是根本不會(huì)被破壞的,但是簾線不僅在209N的壓縮力下斷裂,甚至在066N的微小壓縮負(fù)荷下第1組試樣也發(fā)生斷裂值得注意的是,簾線只在其與橡膠的復(fù)合材料中存在這樣的破壞形式,而在單獨(dú)狀態(tài)下,即簾線不與橡膠組成復(fù)合材料就不會(huì)發(fā)生這種形式的破壞綜上所述,簾線一橡膠復(fù)合材料受壓縮負(fù)荷失效的過程如圖8所示L局部簾線產(chǎn)生大的拉伸應(yīng)變LL溫度急劇升高,材料性能下降L線與橡膠邊界處出現(xiàn)裂縫I機(jī)械摩擦取代高分子材料內(nèi)摩擦圃匭豳圖8簾線橡膠復(fù)合材料受壓縮負(fù)荷失效的過程3結(jié)語簾線一橡膠復(fù)合材料在較小的循環(huán)壓縮負(fù)荷下即可發(fā)生破壞高分子材料分子內(nèi)摩擦產(chǎn)生的高溫對(duì)材料性能的影響遠(yuǎn)超過環(huán)境溫度的影響,因此采用低滯后高分子材料對(duì)提高簾線一橡膠復(fù)合材料的抗壓縮性能有利在輪胎配方設(shè)計(jì)時(shí),易受壓縮的部位應(yīng)盡量采用低滯后高分子材料第4屆全國(guó)橡膠工業(yè)用織物和骨架材料技術(shù)研討會(huì)論文STUDYONFAILUREMODEOFCORDRUBBERCOMPOSITEUNDERCOMPRESSIVELOADSHULIANGERM702,NO36,LANE100,TIANLINROADE,XUHUIDISTRICT,SHANGHAI200265,CHINAABSTRACTTHEFAILUREMODEOFCORDRUBBERCOMPOSITEUNDERCOMPRESSIVELOADWASEXPERIMENTALLYINVESTIGATEDTHERESULTSSHOWTHATTHEFAILUREOFTHECORDRUBBERCOMPOSITECOULDOCCURUNDERRELATIVESMALLCYCLICCOMPRESSIVELOADTHEINTERNALMOLECULARFRICTIONOFPOLYMERMATERIALCONT