纤维增强橡胶在不同温度条件下的力学性能研究

论文摘要

温度对尼龙纤维与硫化橡胶以及纤维帘线／橡胶构成的复合材料力学性能有着重要影响。有关帘线／橡胶复合材料界面以及宏观力学行为的研究,对于分析建筑用运输带、轮胎的失效与破坏更具重要意义。热是纤维帘线／橡胶复合材料力学性能下降以及破坏的主要原因之一。热主要来自两个方面,外界传热与内部生热,如高温炉渣运输带,生热主要来源于外部热源；高速轮胎等生热,主要来自由于材料滞后导致的内部生热。虽然热量来源不同,但对帘线／橡胶复合材料力学性能的影响,具有同样的作用。近年来,实验技术水平的迅速提高和数值分析方法的日趋完善,使温度条件下纤维橡胶及其复合材料的力学性能研究提供了方便条件。本文对于纤维增强橡胶在各种不同温度条件下的力学性能进行了实验和理论研究,主要工作如下：1.进行了不同温度下的硫化橡胶、尼龙帘线单轴拉伸实验,研究了硫化橡胶和尼龙纤维的力学性能与本构关系。通过橡胶单轴拉伸实验,得到了橡胶的载荷-位移、应力-应变关系。据此得出各个温度下,Mooney-Rivlin模型和Yoeh模型中的表征橡胶本构关系的参数,如C1和C2、C3,为后续的数值研究纤维增强橡胶复合材料力学性能打下基础。2.材料的热膨胀性能对其力学性能有一定的影响,特别是对于两相或多相复合材料的界面性能作用明显。本文实验研究了不同温度下,硫化橡胶与尼龙帘线的热膨胀性能。结果表明,硫化橡胶的膨胀系数随着温度的升高,有增大的趋势；而尼龙帘线的热膨胀系数随温度升高,则出现负值,并呈现V形变化。3.进行了单根纤维帘线橡胶复合材料的拔出实验,分析了纤维橡胶复合材料在不同温度下力学性能与界面性能。通过不同温度下单根纤维帘线橡胶复合材料的拔出实验,得到在不同温度下破坏过程中的载荷—位移关系。计算了界面平均剪应力,界面破坏能等。4.通过扫描电镜对拔出纤维表面的观察,发现在不同温度下界面破坏存在三种模式：较低温度时,主要为纤维和橡胶基体的界面粘结破坏；中等温度时,除部分界面脱粘外,还存在界面附近橡胶基体的破裂；而在较高温度下,界面破坏则为纯粹的橡胶基体的破裂,说明此时橡胶的破坏强度已经小于界面的粘合力。5.基于上述三种破坏模式,提出了三种界面模型来描述不同温度下纤维拔出的界面破坏过程与界面破坏准则。结合界面破坏准则,采用界面单元层和单元“生死”技术,解决了纤维拔出模拟过程中,由于橡胶材料大变形引起的网格畸变问题。为有限元分析大变形复合材料的界面破坏提供了一种有效方法。6采用上述分析技术,利用有限元法考察和分析了不同温度下,纤维橡胶复合材料界面破坏的全过程、拔出载荷和应力场变化规律,预报了不同温度下纤维橡胶复合材料拔出界面应力场。有限元计算结果与实验得到的载荷—位移曲线较为吻合。7.用有限元法分析了单纤维帘线橡胶界面力学性能的尺寸效应,通过改变基体半径,纤维埋入深度等参数,考察拔出载荷与位移关系以及界面处的轴向应力场和剪切应力场的变化规律,结果表明界面存在较大的应力集中。为复合材料的结构设计和性能研究工作提供了一些有意义的信息。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 橡胶纤维材料的力学特性及其本构关系
• 1.2.1 橡胶纤维热拉伸概述
• 1.2.2 橡胶本构关系
• 1.3 橡胶纤维材料的热膨胀
• 1.3.1 热膨胀系数定义
• 1.4 纤维复合材料的界面概述
• 1.4.1 复合材料界面的性质
• 1.4.2 界面损伤破坏机理
• 1.4.3 界面力学性能的实验表征
• 1.4.4 界面分析的几种方法
• 1.4.5 帘线增强橡胶界面研究进展
• 1.5 本论文的研究目的、内容
• 1.5.1 目的意义
• 1.5.2 论文的主要研究内容
• 1.5.3 论文的主要创新点
• 第二章 橡胶与纤维本构模型及不同温度下力学性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 橡胶本构理论
• 2.2.1 基于不变量的连续介质模型
• 2.3 有限变形条件下硫化橡胶的简单拉伸形变与应力分析
• 2.3.1 橡胶简单拉伸大变形连续介质力学理论描述
• 2.4 硫化橡胶与尼龙帘线单轴拉伸实验研究
• 2.4.1 硫化橡胶拉伸试样制备
• 2.4.2 尼龙帘线材料
• 2.4.3 主要仪器
• 2.4.4 实验方法
• 2.4.5 实验结果及分析
• 2.5 温度条件下Mooney-Rivlin模型参数确定
• 2.6 Yeoh模型参数确定
• 2.7 本章小结
• 第三章 硫化橡胶尼龙帘线热膨胀性能实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 热膨胀系数的定义
• 3.3 硫化橡胶与帘线热膨胀实验
• 3.3.1 实验原材料
• 3.3.2 实验仪器
• 3.3.3 测试原理
• 3.4 热膨胀特性测量
• 3.4.1 确定热分析仪的校正系数
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 实验结果
• 3.5.2 实验结果分析
• 3.5.3 热膨胀系数与温度α-T数值拟合
• 3.6 本章小结
• 第四章 纤维/橡胶复合材料拔出实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 尼龙纤维帘线/橡胶复合材料拔出试件制备
• 4.3 实验方法
• 4.4 实验结果及分析
• 4.4.1 不同温度下纤维拔出载荷-位移曲线
• 4.4.2 纤维橡胶拔出界面的粘附剪切力和破坏能计算
• 4.4.3 不同拔出速率对纤维拔出的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 纤维/橡胶复合材料界面力学有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 非线性有限元基本理论
• 5.2.1 非线性有限单元离散
• 5.3 几何模型与有限元模型
• 5.4 单元划分与边界条件
• 5.5 材料参数的确定
• 5.5.1 材料力学参数的确定
• 5.5.2 材料膨胀系数的确定
• 5.6 算例与分析
• 5.6.1 单根纤维帘线拔出模型的尺寸效应分析
• 5.6.2 温度条件下纤维拔出有限元分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 纤维/橡胶复合材料界面脱粘破坏有限元分析
• 6.1 引言
• 6.2 界面层确定与单元划分
• 6.3 材料参数的确定
• 6.4 界面破坏判断准则
• 6.5 界面脱粘破坏的有限元实现
• 6.5.1 单元生死实现界面破坏脱粘
• 6.5.2 界面剪切强度的确定
• 6.6 有限元计算结果与分析
• 6.6.1 不同温度下三种破坏模式有限元分析
• 6.6.2 破坏时剪应力云图
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录