基于变温加载的轮胎硫化数值模拟

论文摘要

作为对轮胎性能有决定性影响和轮胎生产中耗能最多的工艺,对轮胎硫化工艺进行数值仿真具有重大意义。本研究建立了带花纹的轮胎三维有限元模型,模型中考虑了轮胎材料的各向异性传热,模拟了材料传热参数随温度的变化,根据硫化生产工艺设计有限元计算的边界条件,模拟了轮胎的硫化加热过程及硫化降温过程中轮胎表面与空气的对流换热和辐射换热,并且考虑到轮胎内表面是一个半封闭腔体,通过腔体辐射理论计算内表面各点间辐射角系数,使得模型更接近现实条件。在考虑花纹的三维模型中,按照花纹形状在花纹相应位置施加边界条件,根据硫化测温试验分别设置模拟硫化升温阶段的机内硫化载荷步和模拟硫化降温阶段的后硫化载荷步,计算结果表明花纹对轮胎温度场有明显影响,相对于原有二维模型,带花纹的轮胎三维硫化模型模拟与实验结果吻合更好。研究轮胎硫化理论,利用阿累乌尼斯方程推导等效硫化时间计算方法,定义等效硫化时间与胶料正硫化时间的商为硫化程度变量,以此评价胶料硫化程度。根据该理论本研究开发了硫化程度计算子程序,将硫化程度变量引入ABAQUS中,利用子程序建立胶料温度场与硫化程度场的关系,使得可以通过ABAQUS模拟轮胎硫化过程中轮胎胶料硫化程度实时变化情况。计算表明该子程序计算结果与理论计算结果一致,程序是正确有效的。本研究利用带花纹的轮胎三维硫化数值模型通过数值模拟优化了原有硫化工艺,优化后工艺在缩短硫化加温时间,节约11%能耗基础上,轮胎过硫程度最高降低25%,过硫问题得到缓解,轮胎性能得到改善。表明该模型可以用来优化轮胎硫化工艺,帮助改善轮胎质量,降低能耗,相对于专门开发的轮胎硫化有限元程序,本研究基于通用软件开发的这一有限元方法开发成本低,更易推广,具有重大现实意义与使用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 轮胎硫化数值模拟研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 轮胎硫化传热微分方程及定解条件
• 2.1 轮胎硫化传热方程
• 2.1.1 柱坐标下传热方程推导
• 2.1.2 传热方程的空间离散
• 2.1.3 传热方程的时间离散
• 2.2 轮胎硫化传热边界条件
• 2.2.1 强制边界条件
• 2.2.2 对流换热边界条件
• 2.2.3 轮胎外表面的辐射边界条件
• 2.2.4 轮胎内表面的腔体辐射边界条件
• 2.3 本章小结
• 第3章 硫化原理与硫化程度计算子程序开发
• 3.1 硫化原理
• 3.2 硫化程度计算子程序
• 3.2.1 ABAQUS及在轮胎硫化仿真的应用简介
• 3.2.2 UVARM硫化程度计算程序
• 3.3 轮胎硫化程度子程序验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 带花纹轮胎三维硫化模型建立与实验对比
• 4.1 轮胎硫化有限元模型
• 4.2 轮胎硫化有限元模型材料传热参数
• 4.2.1 温度对材料热物性能影响的实现
• 4.2.2 帘布传热各向异性的实现
• 4.2.3 橡胶硫化生热
• 4.3 轮胎硫化有限元模型加载条件
• 4.3.1 硫化机内加热过程模拟
• 4.3.2 机外后硫化过程模拟
• 4.4 轮胎硫化有限元模拟与实验对比
• 4.5 本章小结
• 第5章 花纹对轮胎硫化温度场的影响
• 5.1 花纹对不同轮胎截面传热的影响
• 5.2 花纹对同一截面不同部位温度的影响
• 5.3 考虑花纹的轮胎三维传热模型的优势分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 轮胎硫化三维模拟
• 6.1 硫化程度场分析
• 6.2 轮胎硫化工艺优化
• 6.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢