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原文传递轮胎后硫化及冷却变形仿真分析研究

论文题名：	轮胎后硫化及冷却变形仿真分析研究
关键词：	汽车轮胎;后硫化冷却过程;变形仿真;热力耦合
摘要：	后硫化冷却过程是轮胎生产中的一个重要环节。机内硫化结束后，轮胎从硫化机中取出继续进行冷却，在此过程中，轮胎逐渐冷却到室温，轮胎材料部件由于温度的变化会产生热膨胀或热收缩现象，导致轮胎尺寸形状发生变化。因此，开展轮胎后硫化冷却变形仿真研究对指导轮胎后硫化冷却工艺具有重要的理论意义和工程应用价值。　　以215/65R16型乘用车子午线轮胎为研究对象，通过仿真及试验方法研究其后硫化冷却变形过程。轮胎的后硫化冷却变形仿真涉及热力耦合过程，为了准确模拟轮胎后硫化过程，测试了该款轮胎橡胶热学材料参数，包括橡胶热物性参数、橡胶硫化反应热、橡胶硫化动力学参数；进行了不同温度下帘线干热收缩率及橡胶热膨胀系数测试；测试了高温下帘线蠕变特性，并采用时间—硬化（Time-hardening）幂律模型表征其蠕变行为。采用ABAQUS/Standard求解器结合用户子程序，并利用试验获得的轮胎材料热学参数建立轮胎硫化模型，预测了轮胎硫化及后硫化冷却过程的硫化程度及温度历程。轮胎硫化测温试验结果显示，8个温度点的试验与仿真的温度历程变化趋势一致，得到的轮胎温度历程可以作为后硫化冷却变形仿真的边界条件。　　基于ABAQUS建立轮胎后硫化冷却变形有限元模型。采用顺序热力耦合的方法，将机内硫化结束时的温度场作为轮胎后硫化冷却变形仿真的初始温度条件，将轮胎后硫化过程的温度历程作为仿真的边界温度条件，结合测试得到的轮胎材料部件的热力学参数，实现了对轮胎不同后硫化充气压力下的轮胎尺寸及直接空气冷却后的轮胎尺寸预测。研究了帘线及橡胶热力学参数对轮胎后硫化冷却变形的影响，结果表明，仿真中单独考虑帘线热收缩特性不能得到轮胎后硫化充气结束时卸掉载荷后的准确尺寸；考虑帘线的蠕变特性时，可以有效模拟出PCI结束时轮胎卸载状态；仿真中考虑橡胶热膨胀系数和不同温度下帘线弹性模量得到的轮胎断面宽（SW）偏小，结果更接近真实值。对不同冷却条件下的成品轮胎进行了外轮廓扫描，对比试验结果与仿真结果表明，后硫化充气—PCI（Post-cure Inflation）仿真得到的轮胎SW与实测值相差很小，相对误差不超过0.8%；未进行PCI工序自然冷却的轮胎SW仿真值与实测值之间的差异增大，相对误差在1.2%左右；不同工况下轮胎最大外直径（OD）的仿真值与实测值差异较小，最大仅为0.27%，说明了预测模型的有效性。　　基于仿真方法，探究了有无PCI工序、不同后硫化充气压力和不同轮胎出模经历时间对成品轮胎外缘尺寸的影响规律。研究表明，PCI工序可以有效抑制轮胎在后硫化冷却过程中的收缩变形，非PCI轮胎的SW始终小于PCI轮胎；随着后硫化充气压力的增大，轮胎SW呈增大趋势，而轮胎OD无明显变化；随着轮胎出模后经历时间的延长，轮胎SW呈减小趋势。探究了橡胶硫化程度对轮胎外缘尺寸的影响，分析结果表明，采用不同硫化程度橡胶得到的轮胎外缘尺寸与原方案差别很小，在仿真中可以暂时不考虑。
作者：	魏玮
专业：	车辆工程
导师：	梁晨
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022