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原文传递全钢子午线轮胎胎肩复合材料吸水行为及内应力研究

论文题名：	全钢子午线轮胎胎肩复合材料吸水行为及内应力研究
关键词：	汽车轮胎;橡胶复合材料;吸水行为;内应力演变;吸水损伤机理
摘要：	高分子材料因其具有质量轻，强度高等优异的综合性能，被广泛应用于汽车领域，发展前景广阔。橡胶作为三大高分子材料之一，在汽车用非金属材料中具有重要地位，是其他材料难以替代的。轮胎是汽车上使用橡胶占比最大的部件，又作为汽车与地面接触的唯一部件，经常处于高温高湿的环境中，应用工况复杂，特别是全钢子午线轮胎工作环境更为恶劣，经常处于湿热环境下会导致轮胎力学性能降低和缩短服役寿命。致使力学性能降低的根本原因在于材料发生了吸水扩散行为，产生了水分诱导内应力，内应力的存在破坏了材料原本完整的内部结构。因而十分必要研究全钢子午线轮胎材料湿热环境下的吸水行为和内应力演变过程，明确材料吸水损伤机理。　　为了提高全钢子午线轮胎服役寿命和耐久性，本文以全钢子午线轮胎胎肩复合材料为研究对象，研究材料吸水扩散行为和内应力演变过程，揭示材料吸水机理，具体研究内容包括：　　1）基于材料尺寸参数，建立钢丝/橡胶复合材料三维模型，为后续开展模拟吸水扩散奠定基础。具体的，在UG三维建模软件中分别建立钢丝和橡胶基体模型，单根钢丝由多匝细小钢丝加捻形成。在Hypermesh软件中运用布朗计算获得含有钢丝孔洞的橡胶基体，最后将两者导入到ABAQUS中建立完整的有限元模型。　　2）以轮胎橡胶复合材料和钢丝/橡胶复合材料为研究对象，在三个温度（30、60和90℃）下开展吸水实验，获得吸水增重率随吸水时间变化曲线，并根据吸水动力学方程求解两种复合材料的吸水动力学参数。进一步地，依据水分扩散理论（Fickian模型、Two-stage模型和Langmuir吸附模型），确立符合轮胎橡胶和钢丝/橡胶复合材料吸水特性的数学模型，同时求解吸水扩散系数。　　3）借助有限元软件ABAQUS模拟钢丝/橡胶复合材料吸水扩散和内应力演变过程，通过软件可以直观看出材料内部自由水和结合水变化。此外，开展吸水膨胀实验，计算两种复合材料的吸水膨胀系数，运用温度-位移耦合模块仿真获得钢丝/橡胶复合材料的吸水膨胀位移量和模拟吸水膨胀内应力演变过程。结果表明，钢丝与橡胶基体界面处存在应力集中，随着温度升高，应力集中现象越为明显。　　4）最后，探究轮胎橡胶和钢丝/橡胶复合材料的吸水损伤机理，其中包括力学性能测试，获取抗拉强度随老化时间变化曲线；表征测试（扫描电子显微镜分析和傅立叶红外光谱分析）研究材料内部结构和化学组分的变化。理论研究结果与表征测试结合，揭示轮胎橡胶和钢丝/橡胶复合材料吸水损伤机理。　　结合以上内容，对轮胎橡胶和钢丝/橡胶复合材料在湿热环境下吸水行为和内应力演变进行了系统研究，研究结果可以为全钢子午线轮胎改善耐久性和提高服役寿命提供理论依据。
作者：	李孟迪
专业：	车辆工程
导师：	李迪;姜宁
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东理工大学
学位年度：	2022