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)生的高溫對材料性能的影響遠超過環(huán)境溫度的影響,采用低滯后高分子材料對提高簾線一橡膠復(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荷中圖分類號TQ330389TQ3361文獻標識碼B文章編號10068171200809051504簾線一橡膠復(fù)合是輪胎增強最廣泛采用的形式之一對于簾線一橡膠復(fù)合材料的拉伸力學(xué)特性已進行了廣泛且較深入的研究,有大量文獻報道而對于簾線一橡膠復(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度,在簾線一橡膠復(fù)合材料受到拉伸負荷時,簾線承受大部分負荷根據(jù)力學(xué)常識,簾線只在受到超過其拉伸強度的負荷時才產(chǎn)生斷裂,而純壓縮力很難使其破壞但從對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市場上出現(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)合材料的抗壓縮強度是一個非常重要的設(shè)計指標深入理解簾線一橡膠復(fù)合材料的壓縮失效模式,無疑會對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觀察,驗證及理論分析,對簾線一橡膠復(fù)合材料的壓縮失效模式進行研究,以揭作者簡介舒涼1951,男,江蘇南京人,輪胎力學(xué)博士,資深輪胎專家,多年在國際知名輪胎公司從事輪胎設(shè)計與研究工作示在受到壓縮負荷的簾線一橡膠復(fù)合材料中簾線斷裂的力學(xué)機理,以期對提高簾線一橡膠復(fù)合材料的抗壓縮負荷能力提供理論及設(shè)計參考1實驗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,簾線沿圓柱體長度方向平行排列,均勻分布在圓柱的圓截面上,共計150根一圖1簾線橡膠復(fù)合材料試樣12試驗方案為了研究溫度及負荷對壓縮失效的影響,試驗分兩組進行,采用不同的溫度與負荷組合,壓縮負荷方向為試樣軸向第1組采用較高環(huán)境溫度100,試驗在封閉的試驗箱中進行,壓縮負荷為1L2N第2組在室溫25下進行,壓縮負荷為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,壓縮負荷的施加是從零加至最大規(guī)定試驗負荷,用以模擬輪胎在正常使用中實際發(fā)生的加載一卸載循環(huán)疲勞模式LLLL,八八八八八/,時陌圖2負荷加載和卸載模式2結(jié)果與討論壓縮試驗后的試樣如圖3所示從圖3可以看出,壓縮負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壓縮試驗后的試樣試驗過程中發(fā)現(xiàn),第2組試樣的破壞時間比第1組短得多,由此可見,負荷對試樣破壞的影響明顯大于溫度的影響21條件假設(shè)進行下一步研究之前先進行假設(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)觀點來看,該假設(shè)非常貼近實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個邊長,己,R和W分別表示沿著3個方向的位移根據(jù)材料力學(xué)對物體應(yīng)變的定義,沿3個方向的應(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)壁處取出一個簾線一橡膠復(fù)合材料立方體見圖4來做進一步分析,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,如果一個簾線一橡膠復(fù)合材料立方體同時受到3個方向的壓縮力,則這個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高于橡膠,由這個應(yīng)變分量所產(chǎn)生的拉伸力不僅在局部可能達到很高值,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為,曲梁的彎曲除了壓縮負荷外,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卷部位在試驗過程中發(fā)現(xiàn),高環(huán)境溫度,低負荷試樣的破壞時間比低環(huán)境溫度,高負荷試樣明顯延長即使承受高負荷的試樣僅在室溫狀態(tài)下開始試驗,實際上由于高分子材料的滯后性,循環(huán)負荷作用使得試樣內(nèi)部溫度急劇上升,試樣在非常短的時間內(nèi)達到很高的內(nèi)溫這種由分子內(nèi)摩擦產(chǎn)生的高溫對材料性能的影響遠超過環(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,如果橡膠材料受到絕對值大小相同的力,那么橡膠材料在受到壓縮力時比受到拉伸力時產(chǎn)生的熱量更多最后討論復(fù)合材料中的簾線從試驗結(jié)果可以看出,簾線承受壓縮負荷的能力非常低在圓柱試樣斷面上分布了150根簾線,即便按最大試驗負荷314N計算,每根簾線也只受到了2O9N的負荷如果簾線僅受到209N的拉力是根本不會被破壞的,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,而在單獨狀態(tài)下,即簾線不與橡膠組成復(fù)合材料就不會發(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)生的高溫對材料性能的影響遠超過環(huán)境溫度的影響,因此采用低滯后高分子材料對提高簾線一橡膠復(fù)合材料的抗壓縮性能有利在輪胎配方設(shè)計時,易受壓縮的部位應(yīng)盡量采用低滯后高分子材料第4屆全國橡膠工業(yè)用織物和骨架材料技術(shù)研討會論文STUDYONFAILUREMODEOFCORDRUBBERCOMPOSITEUNDERCOMPRESSIVELOADSHULIANGERM702,NO36,LANE100,TIANLINROADE,XUHUIDISTRICT,SHANGHAI200265,CHINAABSTRACTTHEFAILUREMODEOFCORDRUBBERCOMPOSITEUNDERCOMPRESSIVELOADWASEXPERIMENTALLYINVESTIGATEDTHERESULTSSHOWTHATTHEFAILUREOFTHECORDRUBBERCOMPOSITECOULDOCCURUNDERRELATIVESMALLCYCLICCOMPRESSIVELOADTHEINTERNALMOLECULARFRICTIONOFPOLYMERMATERIALCONT