帘线-橡胶复合材料的压缩失效模式研究

帘线橡胶复合材料的压缩失效模式研究第9期舒凉帘线一橡胶复合材料的压缩失效模式研究帘线一橡胶复合材料的压缩失效模式研究舒凉上海市徐汇区田林东路100弄36楼702室200265摘要试验研究帘线一橡胶复合材料的压缩失效模式结果表明,帘线一橡胶复合材料在较小的循环压缩负荷下即可发生破坏高分子材料分子内摩擦产生的高温对材料性能的影响远超过环境温度的影响,采用低滞后高分子材料对提高帘线一橡胶复合材料的抗压缩性能有利关键词帘线橡胶失效模式压缩负荷中图分类号TQ330389TQ3361文献标识码B文章编号10068171200809051504帘线一橡胶复合是轮胎增强最广泛采用的形式之一对于帘线一橡胶复合材料的拉伸力学特性已进行了广泛且较深入的研究,有大量文献报道而对于帘线一橡胶复合材料的压缩特性,特别是压缩失效模式以及失效机理等仍存在一些值得探讨的问题通常,帘线具有较高的拉伸刚度和拉伸强度,在帘线一橡胶复合材料受到拉伸负荷时,帘线承受大部分负荷根据力学常识,帘线只在受到超过其拉伸强度的负荷时才产生断裂,而纯压缩力很难使其破坏但从对大量轮胎中帘线一橡胶复合材料因受压缩而破坏的局部进行微观分析来看,帘线一橡胶复合材料在受到较大压缩力的区域出现帘线断裂的现象在轮胎使用中,经常会遇到由于压缩变形造成帘线一橡胶复合材料破坏的现象这种破坏多发生在胎侧最大屈挠区,如零气压轮胎的破坏以及在我国市场上出现最多的轮胎破坏现象胎侧受冲击鼓包等上述破坏现象大都与帘线一橡胶复合材料的压缩失效有关要从轮胎设计角度防止这类破坏现象,帘线一橡胶复合材料的抗压缩强度是一个非常重要的设计指标深入理解帘线一橡胶复合材料的压缩失效模式,无疑会对分析上述轮胎破坏现象及提出解决方法提供帮助本工作通过试验观察,验证及理论分析,对帘线一橡胶复合材料的压缩失效模式进行研究,以揭作者简介舒凉1951,男,江苏南京人,轮胎力学博士,资深轮胎专家,多年在国际知名轮胎公司从事轮胎设计与研究工作示在受到压缩负荷的帘线一橡胶复合材料中帘线断裂的力学机理,以期对提高帘线一橡胶复合材料的抗压缩负荷能力提供理论及设计参考1实验11试样试样为由帘线一橡胶复合材料构成的短圆柱体见图1,直径为165MM,长度为254MM试样由轮胎常用胎体胶料和帘线构成,帘线沿圆柱体长度方向平行排列,均匀分布在圆柱的圆截面上,共计150根一图1帘线橡胶复合材料试样12试验方案为了研究温度及负荷对压缩失效的影响,试验分两组进行,采用不同的温度与负荷组合,压缩负荷方向为试样轴向第1组采用较高环境温度100,试验在封闭的试验箱中进行,压缩负荷为1L2N第2组在室温25下进行,压缩负荷为314N516轮胎工业2008年第28卷两组试样最大压缩位移均为55MM,负荷加载和卸载的频率均为1800次MIN_,直至试样发生破坏,加载和卸载模式如图2所示从图2可以看出,压缩负荷的施加是从零加至最大规定试验负荷,用以模拟轮胎在正常使用中实际发生的加载一卸载循环疲劳模式LLLL,八八八八八/,时陌图2负荷加载和卸载模式2结果与讨论压缩试验后的试样如图3所示从图3可以看出,压缩负荷的确可以造成帘线一橡胶复合材料的破坏,破坏现象为橡胶的撕裂和帘线的断裂A第1组B第2组图3压缩试验后的试样试验过程中发现,第2组试样的破坏时间比第1组短得多,由此可见,负荷对试样破坏的影响明显大于温度的影响21条件假设进行下一步研究之前先进行假设,假设帘线一橡胶复合材料是不可压缩体从高分子材料的物理特性及弹性力学观点来看,该假设非常贴近实际不可压缩的物体无论受到何种外力的作用,其体积在受力前后的变化应满足下式V0一V11式中受力前体积V受力后体积也可以说,外力的施加只能改变不可压缩体的形状,而不能改变其体积立方体的体积可用如下公式表示VOAXYZ2变形后的体积可用下式表示V一XUYVZW3由式13可以得出XYZAXUAYVZV4式24中AX,AY和Z分别表示立方体的3个边长,己,R和W分别表示沿着3个方向的位移根据材料力学对物体应变的定义,沿3个方向的应变分别为EXU/AXYV/YZWZ根据式4及物体的应变公式可以导出不可压缩体的表达式XEYZ一05式5的物理含义为不可压缩体受力变形后,其所有方向应变的总和等于零22压缩破坏分析从轮胎胎侧靠近内壁处取出一个帘线一橡胶复合材料立方体见图4来做进一步分析,此处是轮胎中最易受到压缩破坏的区域图4中X方向对应轮胎的圆周方向,Y方向对应轮胎胎侧的厚度方向,Z方向对应轮胎的径向方向,以下分析3个方向的应变1EZ首先讨论Z方向即轮胎径向方向的应变胎侧部分区域受力分析如图5所示,图中为总压缩应力,为纯压缩引起的压缩应力,盯为纯第9期舒凉帘线一橡胶复合材料的压缩失效模式研究517ZA变形前YSZA变形后图4帘线橡胶复合材料立方体变形前后示意域小厂皿一I图5Z方向应力分析弯曲引起的压缩应力,一DR从图5可以看出,这段胎侧受到径向压缩和弯曲两种力的作用,这两种力的作用都在胎侧内壁处造成压缩应变,总压缩应变等于这两种应变之和2XX方向应变分析如图6所示从图6可以看出,X方向也是压缩应变,这是由于当轮胎经受径向负荷变形后,胎侧最大屈挠区与轮胎回转轴的距离从R变成R1,而EXU/X一27CR一R/27CR一R,一R/R,由于R小于R,因图6X方向应变分析此E是负值,即压缩应变3EY由式5可以得出EY一一XEZ由于X和均为负值,即压缩应变,因此V必为正值,即拉伸应变,且Y方向的拉伸应变值大于任何其它方向的应变值通常,如果一个帘线一橡胶复合材料立方体同时受到3个方向的压缩力,则这个立方体是很不容易被破坏的,而存在于Y方向的较大拉伸应变正是帘线一橡胶复合材料立方体被破坏及帘线断裂的根本原因Y方向应变导致帘线一橡胶复合材料立方体被破坏甚至帘线断裂有2种可能的路径1Y方向的局部拉伸应变较大,且其方向垂直于帘线的长度方向,造成帘线与橡胶的边界产生裂缝见图7一旦裂缝出现,材料分子间的内摩擦由材料的机械摩擦代替,这将消耗大量能量,从而产生大量的热,帘线的物理性能在高温条件下快速衰减,导致帘线断裂2为了保持帘线一橡胶复合材料的连续性,帘线的应变水平必须与橡胶在各方向的应变水平一致较大的Y方向拉伸应变使得帘线弯曲见图7,从而使帘线具有拉伸应变分量,而帘线的拉伸刚度远高于橡胶,由这个应变分量所产生的拉伸力不仅在局部可能达到很高值,而且是循环加载一卸载的疲劳模式,这足以使帘线疲劳断裂破坏分帘线局部产生较大拉伸应力橡胶与帘线边界产生裂缝图7帘线一橡胶复合材料破坏示意从图3中也可以较容易地观察到,裂缝多发生在帘线和橡胶的边界处分析原因认为,曲梁的弯曲除了压缩负荷外,也伴随着较大的剪切力应力集中易发生在材料刚度急剧变化的部位,而帘线与橡胶的边界正是材料刚度急剧变化的518轮胎工业2008年第28卷部位在试验过程中发现,高环境温度,低负荷试样的破坏时间比低环境温度,高负荷试样明显延长即使承受高负荷的试样仅在室温状态下开始试验,实际上由于高分子材料的滞后性,循环负荷作用使得试样内部温度急剧上升,试样在非常短的时间内达到很高的内温这种由分子内摩擦产生的高温对材料性能的影响远超过环境温度的影响由此可以得出,使用低滞后高分子材料对提高帘线一橡胶复合材料的抗压缩性能有利据以往的经验,如果橡胶材料受到绝对值大小相同的力,那么橡胶材料在受到压缩力时比受到拉伸力时产生的热量更多最后讨论复合材料中的帘线从试验结果可以看出,帘线承受压缩负荷的能力非常低在圆柱试样断面上分布了150根帘线,即便按最大试验负荷314N计算,每根帘线也只受到了2O9N的负荷如果帘线仅受到209N的拉力是根本不会被破坏的,但是帘线不仅在209N的压缩力下断裂,甚至在066N的微小压缩负荷下第1组试样也发生断裂值得注意的是,帘线只在其与橡胶的复合材料中存在这样的破坏形式,而在单独状态下,即帘线不与橡胶组成复合材料就不会发生这种形式的破坏综上所述,帘线一橡胶复合材料受压缩负荷失效的过程如图8所示L局部帘线产生大的拉伸应变LL温度急剧升高,材料性能下降L线与橡胶边界处出现裂缝I机械摩擦取代高分子材料内摩擦圃匦豳图8帘线橡胶复合材料受压缩负荷失效的过程3结语帘线一橡胶复合材料在较小的循环压缩负荷下即可发生破坏高分子材料分子内摩擦产生的高温对材料性能的影响远超过环境温度的影响,因此采用低滞后高分子材料对提高帘线一橡胶复合材料的抗压缩性能有利在轮胎配方设计时,易受压缩的部位应尽量采用低滞后高分子材料第4届全国橡胶工业用织物和骨架材料技术研讨会论文STUDYONFAILUREMODEOFCORDRUBBERCOMPOSITEUNDERCOMPRESSIVELOADSHULIANGERM702,NO36,LANE100,TIANLINROADE,XUHUIDISTRICT,SHANGHAI200265,CHINAABSTRACTTHEFAILUREMODEOFCORDRUBBERCOMPOSITEUNDERCOMPRESSIVELOADWASEXPERIMENTALLYINVESTIGATEDTHERESULTSSHOWTHATTHEFAILUREOFTHECORDRUBBERCOMPOSITECOULDOCCURUNDERRELATIVESMALLCYCLICCOMPRESSIVELOADTHEINTERNALMOLECULARFRICTIONOFPOLYMERMATERIALCONT