填充橡胶温度依赖的非弹性力学行为实验研究

填充橡胶具有复杂的非弹性力学行为,主要包括应变率依赖的粘弹性效应和变形历史依赖的Mullins效应.当前大多数对填充橡胶的实验研究集中于室温条件,针对以上问题,本论文通过单轴压缩实验系统地研究了温度对氟橡胶粘弹性和Mullins效应这两种非弹性行为的影响.首先采用多次循环加载获得了完全消除了Mullins效应的预处理试样.通过对原试样和预处理试样的单轴加卸载实验应力响应进行对比,发现Mullins效应不受变形温度和应变率的影响.通过对消除Mullins效应橡胶材料应力松弛实验结果进行分析,发现粘弹性行为不仅与变形的温度、应变率相关,还受加载应变的影响,表现为较大的加载应变会抑制氟橡胶的应力松弛.     

炭黑填充橡胶材料的修正三链模型和Mullins模型

论文探讨了炭黑颗粒填充橡胶材料的本构模型.考虑到橡胶单个分子链与周围分子网络的约束作用和炭黑颗粒对橡胶的补强作用,提出了一种修正三链模型,用Edwards管模型描述分子链之间的相互作用和约束,采用应变放大因子来考虑炭黑含量的影响.并在修正三链模型的基础上,利用橡胶分子网络重构理论,提出了一种适合表征橡胶Mullins现象的本构模型.通过与实验数据比较分析,修正三链模型可较准确地表征未填充橡胶材料不同变形模式的力学性能和炭黑颗粒填充橡胶材料的单向拉伸力学行为,Mullins模型也可较好地描述橡胶材料的Mullins现象.     

温度对炭黑填充橡胶复合材料力学性能影响的实验研究

采用岛津万能试验机对天然与丁苯共混橡胶(NSBR)试件进行不同温度下多步松弛循环加卸载实验和单向拉伸加卸载循环实验，对比两者的宏观力学响应，并研究温度对炭黑填充复合材料力学性能的影响．结果表明：(1)随着温度的升高，未填充橡胶逐渐变“硬”，而炭黑填充橡胶是“先变软后变硬”．(2)随着温度的升高，橡胶的迟滞损耗呈线性减小．(3)比较单向拉伸和应力松弛平衡点的应力应变曲线，填充橡胶“先变软后变硬”的温度转折点不同，这是由于应力松弛过程基本消除了粘弹性效应．     

炭黑填充天然橡胶Mullins效应的仿真与计算分析

通过有限元分析软件Abaqus、Matlab数据拟合工具及单轴拉伸试验,研究了Yeoh本构模型、Ogden本构模型及伪弹性理论模型对炭黑填充天然橡胶的Mullins效应仿真效果及规律。结果表明,(1)对单轴拉伸主加载曲线的拟合,Ogden模型精度更高,而Yeoh模型随着炭黑含量的增加在小变形处的拟合效果变差;(2)提出了伪弹性参数与伸长比之间的关系,找到了一种快速计算伪弹性参数的方法,且精度良好,极大地提高了计算效率。     

不可压缩超弹性止水材料的粘弹性计算方法研究

发展改进了研究不可压缩超弹性材料的Mooney-Rivlin公式,把材料参数假设成是随时间变化的粘弹性函数,并讨论了粘弹性函数的推导方法,通过工程实例进行了实验计算,并将计算结果与应力松弛试验进行了比较.结果表明,用改进Mooney-Rivlin公式可以简便有效地计算该类材料的粘弹性问题,为解决工程实际问题提供了新的途径.     

炭黑增强对橡胶复合材料温度相关力学行为的影响

利用含温度箱的自动网格法测试系统,对不同炭黑含量的橡胶复合材料开展不同温度下的超弹性性能试验,考察了炭黑增强对其温度相关力学行为的影响。结果表明,温升过程中炭黑颗粒对橡胶基体的增强作用在逐渐减弱,与之相关的内能弹性效应也逐渐减小,加上橡胶基体本身的熵弹性效应,这两者共同决定了炭黑增强胶料会随着温度的升高"先变软后变硬",而非如纯胶料般随着温度的升高直接变"硬"。换言之,温度变化对颗粒与基体间相互作用造成的影响,使得炭黑增强橡胶的温度相关力学行为比不含炭黑的纯橡胶更为复杂。另外,依据试验研究的结果,本文还推导了修正八链模型的温度相关显式表达式,它能较好地表征胶料超弹性力学行为与温度的相关性。     

炭黑增强橡胶复合材料力学行为的三维数值模拟

本文基于炭黑填充橡胶复合材料具有周期性细观结构的假设,采用一种新的、改进的随机序列吸附算法建立了三维多球颗粒随机分布式代表性体积单元,并通过细观力学有限元方法对炭黑颗粒填充橡胶复合材料的力学行为进行了模拟仿真。研究结果表明：采用改进的随机序列吸附算法所建立的模型更加便于有限元离散化;模拟中周期性边界条件的约束,使其更加符合实际约束的真实情况;炭黑填充橡胶复合材料的有效模量明显高于未填充橡胶材料,并随着炭黑颗粒所占体积分数的增加而增大;通过比较发现,本文提出的多球颗粒随机分布式三维数值模型对复合材料的应力-应变行为和有效弹性模量的预测结果与实验结果吻合良好,证实了该模型能够用于炭黑颗粒增强橡胶基复合材料有效性能的模拟分析。     

较大变形范围内炭黑填充胶料超弹性力学性能温度相关性的实验研究

基于含温度箱的自动网格法试验系统,本文对不同温度下炭黑颗粒填充胶料的超弹性力学行为进行了实验研究.研究表明,填充胶料在较大范围内的超弹性力学行为存在着温度相关性,其特点是:胶料随着温度的升高而"先变软后变硬".在温度升至临界温度以前,胶料中分子热运动增强所导致的软化趋势占主导作用,所以胶料随温度升高而变软;当温度超过临界温度后,胶料的熵弹性效应占据主导作用,即胶料将随温度升高而变硬.研究结果还表明,修正八链模型可以较准确表征不同温度下轮胎胶料的超弹性力学行为.     

两种缓冲材料的应力松弛实验分析

用逐次残余法分析了聚乙烯和聚苯乙烯缓冲材料的应力松弛试验数据．结果表明可用有限个并联的Ｍａｘｗｅｌ模型来表示这两种材料的应力松弛试验曲线．     

橡胶材料双轴拉伸大变形力学性能实验测试方法研究

为准确测试橡胶材料双轴拉伸大变形力学性能,本文设计了适用于方形试样的双轴拉伸夹具,开发了基于图片识别的位移和应变测试方法,基于有限元计算设计了方形试样的几何结构和尺寸.采用所建立的实验方法,测试了硅橡胶在单向拉伸和不同双轴拉伸载荷比条件下的变形和名义应力-伸长率曲线.实验测试与有限元分析结果表明,采用本文所设计的实验方...     

碳黑填充超高分子量聚乙烯复合材料摩擦磨损性能研究

采用MM-200型摩擦磨损试验机考察了载荷及偶件表面粗糙度对碳黑填充超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料摩擦磨损性能的影响；利用扫描电子显微镜观察复合材料磨损表面形貌并分析了其磨损机理．结果表明：同UHMWPE相比，碳黑填充UHMWPE的磨损质量损失随载荷增加而增大的幅度较小；偶件表面粗糙度对碳黑填充UHMWPE复合材料的摩擦磨损性能影响较大，随着偶件表面粗糙度的增大，摩擦系数和复合材料的磨损质量损失均显著增大．UHMWPE及其碳黑填充复合材料在干摩擦条件下同45“钢及SiC喷涂层涂覆45“钢对摩时主要呈现犁削和塑性变形特征，犁削和塑性变形程度随载荷和偶件表面粗糙度增加而加剧。     

变温下橡胶材料力学性能的实验分析

利用Zwick020材料试验机研究了天然橡胶材料在不同温度条件下单向拉伸的大变形力学行为。得到了不同温度和不同加载速率条件下材料的应力-应变关系曲线和材料的破坏条件,由此分析了高温和低温的温度变化条件及加载速率对材料力学性能的影响,得出天然橡胶材料在大变形条件下的温度和加载速率敏感特性。同时利用实验结果拟合出材料的应变能函数,并应用热超弹性模型对材料进行了理论分析。结果表明,理论分析结果与实验结果仅在一定温度范围内吻合得较好,因为材料软化或硬化,在很高或很低的温度情况下二者有一定差别。     

短碳纤维局部增强混凝土疲劳性能实验研究

对局部增强短碳纤维混凝土进行三点弯曲疲劳试验,发现相同试件在不同应力水平下的疲劳寿命符合两参数威布尔分布,并由此建立考虑失效概率和高低应力比的局部增强短碳纤维混凝土双对数疲劳方程.在工程应用中可以根据实际情况确定失效概率,运用线性插值得到相应回归系数,求得双对数疲劳方程.通过比较相同应力水平下短碳纤维局部增强试件和素混凝土试件的试验结果,发现仅对混凝土进行低掺量的局部增强就可以成倍地提高混凝土的疲劳寿命.上述结果对混凝土路面工程或一些有特殊要求工程的设计有参考意义.     

橡胶沥青应力吸收层力学与疲劳性能研究

防治反射裂缝是半刚性基层沥青路面新建或改建工程中的难题之一.橡胶沥青应力吸收层是一种较好的反射裂缝防治结构.本文设计了包含应力吸收层复合试件的剪切与疲劳试验,通过室内和现场取芯试件,研究了橡胶沥青应力吸收层及其他封层的力学和疲劳性能.聚酯玻纤布应力吸收层疲劳性能最好,但在较高橡胶沥青洒布量下,橡胶沥青与聚酯玻纤布应力吸收层疲劳性能接近;橡胶沥青应力吸收层的抗剪切变形能力最大,且其抗剪强度也比较高;橡胶沥青洒布量对橡胶沥青应力吸收层的抗剪强度、疲劳能力影响较大.当橡胶沥青洒布量在1.8～3.0kg/m2间增加时,橡胶沥青应力吸收层的抗剪强度、疲劳能力均增加,但不是线性关系增加.     

纤维增强橡胶复合材料界面力学性能有限元分析

基于剪滞理论,引入双线性内聚力模型研究了纤维与基体界面应力传递机理.采用ABAQUS模拟了非理想界面在单纤维拔出过程中的脱粘失效,分析了不同脱粘阶段界面剪应力分布情况,以及界面刚度和纤维长径比对界面应力传递和拔出载荷的影响规律.结果表明,在纤维受载失效过程中,纤维的拔出过程可分为4个阶段,即界面的完全粘结、损伤演化、逐渐脱粘、完全脱粘.界面的刚度和纤维长径比对界面应力传递与最大拔出力均有一定的影响.界面刚度、纤维长径比主要影响纤维的最大拔出载荷以及界面脱粘失效位移.     

碳纤维增强羟基磷灰石/聚乳酸复合生物材料的制备和力学性能

为了提高羟基磷灰石粒子和碳纤维与聚乳酸之间的粘接力和相互作用力，对羟基磷灰石和碳纤维分别进行表面改性。羟基磷灰石采用表面接枝聚乳酸的方法，结果在红外谱图中1740cm^-1处出现了羰基的吸收峰，经热失重分析接枝率达到5％。碳纤维则用硝酸进行氧化处理后表面变粗糙，有效地提高了与聚乳酸基体的界面结合力。采用溶液共混-热压方法制备了碳纤维增强羟基磷灰石／聚乳酸三元复合生物材料，研究了其剪切强度随羟基磷灰石含量和体外降解时间的变化关系。复合材料的剪切强度随HA含量的增加存在一个峰值，最大剪切强度为340MPa。在37℃PBS模拟体液中体外降解16周后，剪切强度维持在190MPa左右，有很好的强度保持性，观察复合材料的微观结构发现，聚乳酸降解后碳纤维和基体之间的界面出现空隙。