簾線橡膠復合材料的壓縮失效模式研究第9期舒涼簾線一橡膠復合材料的壓縮失效模式研究簾線一橡膠復合材料的壓縮失效模式研究舒涼上海市徐匯區田林東路100弄36樓702室200265摘要試驗研究簾線一橡膠復合材料的壓縮失效模式結果表明,簾線一橡膠復合材料在較小的循環壓縮負荷下即可發生破壞高分子材料分子內摩擦產生的高溫對材料性能的影響遠超過環境溫度的影響,采用低滯后高分子材料對提高簾線一橡膠復合材料的抗壓縮性能有利關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簾線一橡膠復合是輪胎增強最廣泛采用的形式之一對于簾線一橡膠復合材料的拉伸力學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,在簾線一橡膠復合材料受到拉伸負荷時,簾線承受大部分負荷根據力學常識,簾線只在受到超過其拉伸強度的負荷時才產生斷裂,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,簾線一橡膠復合材料在受到較大壓縮力的區域出現簾線斷裂的現象在輪胎使用中,經常會遇到由于壓縮變形造成簾線一橡膠復合材料破壞的現象這種破壞多發生在胎側最大屈撓區,如零氣壓輪胎的破壞以及在我國市場上出現最多的輪胎破壞現象胎側受沖擊鼓包等上述破壞現象大都與簾線一橡膠復合材料的壓縮失效有關要從輪胎設計角度防止這類破壞現象,簾線一橡膠復合材料的抗壓縮強度是一個非常重要的設計指標深入理解簾線一橡膠復合材料的壓縮失效模式,無疑會對分析上述輪胎破壞現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,輪胎力學博士,資深輪胎專家,多年在國際知名輪胎公司從事輪胎設計與研究工作示在受到壓縮負荷的簾線一橡膠復合材料中簾線斷裂的力學機理,以期對提高簾線一橡膠復合材料的抗壓縮負荷能力提供理論及設計參考1實驗11試樣試樣為由簾線一橡膠復合材料構成的短圓柱體見圖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定試驗負荷,用以模擬輪胎在正常使用中實際發生的加載一卸載循環疲勞模式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合材料的破壞,破壞現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現,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條件假設進行下一步研究之前先進行假設,假設簾線一橡膠復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觀點來看,該假設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個方向的位移根據材料力學對物體應變的定義,沿3個方向的應變分別為EXU/AXYV/YZWZ根據式4及物體的應變公式可以導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,其所有方向應變的總和等于零22壓縮破壞分析從輪胎胎側靠近內壁處取出一個簾線一橡膠復合材料立方體見圖4來做進一步分析,此處是輪胎中最易受到壓縮破壞的區域圖4中X方向對應輪胎的圓周方向,Y方向對應輪胎胎側的厚度方向,Z方向對應輪胎的徑向方向,以下分析3個方向的應變1EZ首先討論Z方向即輪胎徑向方向的應變胎側部分區域受力分析如圖5所示,圖中為總壓縮應力,為純壓縮引起的壓縮應力,盯為純第9期舒涼簾線一橡膠復合材料的壓縮失效模式研究517ZA變形前YSZA變形后圖4簾線橡膠復合材料立方體變形前后示意域小廠皿一I圖5Z方向應力分析彎曲引起的壓縮應力,一DR從圖5可以看出,這段胎側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內壁處造成壓縮應變,總壓縮應變等于這兩種應變之和2XX方向應變分析如圖6所示從圖6可以看出,X方向也是壓縮應變,這是由于當輪胎經受徑向負荷變形后,胎側最大屈撓區與輪胎回轉軸的距離從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方向應變分析此E是負值,即壓縮應變3EY由式5可以得出EY一一XEZ由于X和均為負值,即壓縮應變,因此V必為正值,即拉伸應變,且Y方向的拉伸應變值大于任何其它方向的應變值通常,如果一個簾線一橡膠復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方向的較大拉伸應變正是簾線一橡膠復合材料立方體被破壞及簾線斷裂的根本原因Y方向應變導致簾線一橡膠復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生裂縫見圖7一旦裂縫出現,材料分子間的內摩擦由材料的機械摩擦代替,這將消耗大量能量,從而產生大量的熱,簾線的物理性能在高溫條件下快速衰減,導致簾線斷裂2為了保持簾線一橡膠復合材料的連續性,簾線的應變水平必須與橡膠在各方向的應變水平一致較大的Y方向拉伸應變使得簾線彎曲見圖7,從而使簾線具有拉伸應變分量,而簾線的拉伸剛度遠高于橡膠,由這個應變分量所產生的拉伸力不僅在局部可能達到很高值,而且是循環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生較大拉伸應力橡膠與簾線邊界產生裂縫圖7簾線一橡膠復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力集中易發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2008年第28卷部位在試驗過程中發現,高環境溫度,低負荷試樣的破壞時間比低環境溫度,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下開始試驗,實際上由于高分子材料的滯后性,循環負荷作用使得試樣內部溫度急劇上升,試樣在非常短的時間內達到很高的內溫這種由分子內摩擦產生的高溫對材料性能的影響遠超過環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合材料的抗壓縮性能有利據以往的經驗,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生的熱量更多最后討論復合材料中的簾線從試驗結果可以看出,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組試樣也發生斷裂值得注意的是,簾線只在其與橡膠的復合材料中存在這樣的破壞形式,而在單獨狀態下,即簾線不與橡膠組成復合材料就不會發生這種形式的破壞綜上所述,簾線一橡膠復合材料受壓縮負荷失效的過程如圖8所示L局部簾線產生大的拉伸應變LL溫度急劇升高,材料性能下降L線與橡膠邊界處出現裂縫I機械摩擦取代高分子材料內摩擦圃匭豳圖8簾線橡膠復合材料受壓縮負荷失效的過程3結語簾線一橡膠復合材料在較小的循環壓縮負荷下即可發生破壞高分子材料分子內摩擦產生的高溫對材料性能的影響遠超過環境溫度的影響,因此采用低滯后高分子材料對提高簾線一橡膠復合材料的抗壓縮性能有利在輪胎配方設計時,易受壓縮的部位應盡量采用低滯后高分子材料第4屆全國橡膠工業用織物和骨架材料技術研討會論文STUDYONFAILUREMODEOFCORDRUBBERCOMPOSITEUNDERCOMPRESSIVELOADSHULIANGERM702,NO36,LANE100,TIANLINROADE,XUHUIDISTRICT,SHANGHAI200265,CHINAABSTRACTTHEFAILUREMODEOFCORDRUBBERCOMPOSITEUNDERCOMPRESSIVELOADWASEXPERIMENTALLYINVESTIGATEDTHERESULTSSHOWTHATTHEFAILUREOFTHECORDRUBBERCOMPOSITECOULDOCCURUNDERRELATIVESMALLCYCLICCOMPRESSIVELOADTHEINTERNALMOLECULARFRICTIONOFPOLYMERMATERIALCONT