橡胶及树脂材料的模拟成型技术_二_复合材料的模拟.pdf

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1、第40卷第12期世界橡胶工业Vol.40No.12：43～462013年12月WorldRubberIndustryDec.2013橡胶及树脂材料的模拟成型技术（二）复合材料的模拟周元华编译摘要：文中列举了作为复合材料的橡胶材料，对该材料的特性进行了预测，剖析了微观现象，进而对以轮胎为主题的宏观模拟进行了分解。关键词：等效中介理论；应力-应变；炭黑分散+中图分类号：TQ330.66文献标识码：B文章编号：1671-8232(2013)12-0043-041模拟技术轮胎等橡胶制品用橡胶材料是聚合物和炭黑等材料的混合物，通过模拟它的特性对其作出评价，再

2、选用合适的材料。这里使用的多规格材料特性预测软件是由比利时e-XstresmEnqineerinq公司开发的（DIGIMAT）产品。利用该软件功能中的图1橡胶复合材料“采用等效中介理论评价复合材料平均物理性能的功能”和“制作虚拟微观结构的功分为以下4个步骤来进行计算。能”尝试对橡胶材料进行模拟。a在内部形成能表现出复合树脂材料特性的代表性体积要素。1.1等效中介理论b关于体积要素的宏观变形，要考虑到图2所示为计算方法的演示图像。大致可填料的微观结构，要把作用于填料的应变和Џ㶔ᕓѿ⼛㺭㉌⮰⩋᜼Ꮐऄ⮰ܲ⻧⩔౔඗᫅সദѿᱼ̶᫅⮰Ꮐ߇䃍ッᏀ߇⮰ऴ᜼图2等效

3、中介理论的基本计算方法实用新型·44·世界橡胶工业2013作用于基体材料基质的应变区分开来。5.00c根据设定的基体材料和填充材料的特4.00性，分别计算应力。d利用分别计算出来的应力，在考虑到3.00填充材料微观结构的基础上，计算出体积要Ꮐ߇2.00素的宏观应力。1.00计算所需要的参数包括填充材料和基体材料各自的材料特性，作为填充材料微观结000.501.001.502.00构的体积及质量分数、形状（近似椭圆体）Ꮐऄ和取向。分别计算出填充材料和基体材料的图3橡胶材料中基体部分的应力-应变特性应力和应变特性，从而可迅速预测各自对应于微观结构的材料

4、特性。另外，该计算方30.020vol%法在一般的非线形结构分析求解中，可以代24.030vol%替用于由计算局部应变产生的应力的材料模18.0型。由此，便可进行考虑材料微观结构的多Ꮐ߇等级模拟了。12.015vol%6.01.2微观结构的形成和评价0这里生成的代表性体积要素已考虑到填00.1000.2000.3000.400Ꮐऄ料的形状、体积、质量分数、取向、形状分图4用等效中介理论评价的复合材料的布及凝聚效果等因素。在上文提及的等效中应力-应变特性介理论是以假设填料是处在均匀分散的状态下为基础的。此处是直接生成了微观结构，影响。图5(a)所示的

5、是炭黑在一定程度上均匀可能要对凝聚状态进行处理。分散结构，图5(b)所示的是部分凝聚的结构。作为软件一项功能，其输出形式与被称为了便于理解将其表示成半透明状的。图6是为IGES、STEP一般性CAD数据相对应，利用根据这些结构并运用有限元法（结构分析）可形成任意网格的软件和预处理程序，形成网格和设定条件尺度用有限元法进行解析，对高密度纤维的树脂填充进行解析。2实例首先，采用等效中介理论来评价假定炭_ܲ᪏`䘔ܲ܉㖆黑处于均匀分散状态下橡胶材料的平均力学图5假设的炭黑分散结构特性。在基材成分（聚合物成分）里把图3所示的超弹性体材料的性能赋予了基体材料（

6、聚合物）。另一方面，把炭黑也作为弹性体进行了处理。图4列示了计算结果。从图4中可以看出，炭黑的体积分数越是增加，应力则越大。接着，制成炭黑分散在聚合物中的微观_ܲ᪏`䘔ܲ܉㖆结构图，评价填料的凝聚结构对材料性能的图6炭黑分散结构的网格实用新型周元华.橡胶及树脂材料的模拟成型技术（二）第40卷第12期复合材料的模拟·45·制成的网格。图中只示出了炭黑组分。.,/..对于制成的结构可通过有限元法使之变ふᩴ͙Ϸ⤲䃦.,.6..形，这样就能得到内部的应力分布图。图7的Чᘻ㏿Ჰ两个等高线图分别表示在均匀分散结构和凝.,.4..䘔ܲ܉㖆⮰㏿Ჰ聚结构中米塞斯应力

7、分布。从图7中可以看Ꮐ߇.,.2..出，夹杂在炭黑周围及粒子中的区域产生了.,.0..较大的应力。比较它们的最大应力值，凝聚结构显示出60%这一较高的值，故容易产生应..,.2...,02..,22..,42..,62./,.2力集中现象。Ꮐऄ图9兼顾了微观结构的复合材料应变量的分布_ܲ᪏`䘔ܲ܉㖆图7向炭黑分散结构施加单轴拉伸变形时_⾦⅀ࢷ߇ͦ0͖๓⅀ࢷ








`⾦⅀ࢷ߇ͦ.๓⅀ࢷ的应力分布图10轮胎模型这种倾向也表现在整体评价微观结构的应力-应变特性当中。如图8所示，凝聚结构的应力在较早阶段就开始增大。另外，从均匀分散结构的结果和等效

8、中介理论上也可看到差异。两者都假定是均匀分散，但是前者未能制成完全分散的结构。/6,.图11轮胎模型（车体重量和空气压力的