云纹法对钢丝帘线－橡胶复合材料力学性能测定的研究

帘线－橡胶复合材料力学性能的精确测定是轮胎有限元分析成功应用的关键。采用云纹技术直接测量应变来确定这些力学性能较为适宜。本文应用云纹法对不同体积分数的单层钢丝帘线－橡胶复合材料力学性能进行了测量研究，并与哈尔平－蔡等公式的理论计算值作了对比讨论。发现云纹法测得试验结果与帘线一橡胶复合层表面材料的力学性能有关。此外对试样没长不同长宽比也进行了对比，表明试样尺寸在本文中所取的长、宽比范围内对帘线－橡胶复合材料性能影响不大。     

颗粒失效对SiCp/Al复合材料强度的影响

建立复合材料屈服强度综合模型用于分析研究增强颗粒断裂和基体与颗粒的界面脱粘对SiCp／Al复合材料强度的影响;用Eshelby等效夹杂理论分析SiCp/Al复合材料受载时作用在SiC颗粒上的应力,并假设SiC颗粒失效符合Weibull分布,在综合考虑复合材料各种强化机制的基础上引入颗粒断裂和界面脱粘对材料屈服强度的影响,建立SiCp／Al复合材料的屈服强度模型并对模型进行解析。研究结果表明：SiCp/Al复合材料屈服强度随着SiC颗粒含量增加而增加;当颗粒粒度为微米级时,屈服强度随着粒度的减小而增加;在屈服状态下,当颗粒粒度较小时,复合材料的颗粒失效以界面脱粘为主;随着粒度的增大,颗粒的断裂分数迅速增大,颗粒失效则转变为由颗粒断裂和界面脱粘共同控制。     

炭黑颗粒填充橡胶复合材料界面脱粘数值分析

利用双线性内聚力模型对炭黑颗粒填充橡胶复合材料的界面脱粘现象进行模拟仿真.应用数值分析方法,以基于内聚力模型的界面单元来构建界面相,研究了不同炭黑颗粒形状、炭黑弹性模量、炭黑体积分数和最大界面粘结强度对炭黑颗粒填充橡胶复合材料界面脱粘过程的影响.模拟结果表明:光滑的颗粒表面,较小的弹性模量,减小炭黑体积分数以及增大界面粘结强度,能够避免界面脱粘现象过早发生.     

拉伸条件下帘线/橡胶复合材料的失效准则

根据橡胶复合材料单向单层板的失效模式，提出了一个新的复合材料的失效准则，并通过尼龙6-帘线／橡胶复合材料单向单层板的双向拉伸试验数据，对失效准则进行了验证．结果表明，提出的失效准则完全可以用来预测帘线／橡胶复合材料单层板的拉伸失效．     

压剪耦合条件下沥青-集料界面粘脱滑移特征行为研究

为探求沥青与集料界面间的压剪断裂失效机制,在研发测试加载系统及分析原材料基本物性参数的基础上,通过制作沥青-集料三明治试件,开展了不同影响因素(集料粗糙度、沥青老化、环境温度及加载速率等)下沥青-集料界面的粘脱滑移特征行为研究,定量感知了沥青-集料界面的应力传荷与粘脱滑移过程,构建了沥青-集料界面的粘脱滑移本构模型.结果表明:增大粗糙度和法向应力与加快荷载速率能够提升界面抗剪能力与剪切抑制能;沥青老化在一定程度上能够提高界面抗剪强度,但降低了界面剪切抑制能;所构建的粘脱滑移本构模型能够表征沥青-集料界面在压剪耦合状态下应力变化三阶段特征.研究成果可为沥青混合料复杂力学行为的细观分析提供理论支撑,并为混合料结构参数的优化设计提供科学依据.     

模拟研究和设计高强度低生热聚合物复合材料

利用分子动力学模拟方法研究聚合物复合材料中填料分布、聚合物链性质和体系微观结构对力学强度和动态滞后生热性能的影响.研究结果表明,提高填料分散程度和减少聚合物链末端数量都能有效降低聚合物复合材料的动态滞后生热,聚合物复合材料的力学强度和动态滞后生热随分子链刚性的增加而增加.但是,刚柔嵌段共聚体系的力学强度,在高拉伸状态下,甚至会优于全刚性聚合物体系.在前述研究基础上,笔者设计了一款以填料颗粒为交联点、刚/柔环状链段互穿的三维网络结构复合体系.研究结果表明,新型复合材料与传统聚合物相比,力学性能最高提升640％,生热性能降低40％.模拟研究结果期望能为分析聚合物复合材料的生热机制、设计兼具高力学强度和低生热性能的聚合物复合材料提供理论指导和新的思路.     

双头单螺杆泵定子衬套热力耦合研究

为研究稠油热采工况下橡胶衬套的温升机理,对高温、含砂稠油工况下螺杆泵的定子橡胶衬套进行摩擦学试验。基于传热学原理,运用有限元方法对双头单螺杆泵橡胶衬套进行热力耦合研究,分析定子橡胶衬套温度场和热应力、应变的变化规律,并研究转速、过盈量、摩擦因数等因素对定子衬套热力耦合的影响。研究结果表明:考虑橡胶滞后生热作用,衬套的温度呈椭圆形分布,沿中心向外递减;衬套的温升,最大热应力和最大位移随转速、过盈量的增大而增大,随摩擦因数的增大而减小;摩擦因数对衬套的热力耦合场影响相对较小。     

全钢丝载重子午线轮胎的有限元分析

在考虑轮胎的材料非线性、几何非线性、轮胎与地面接触的非线性情况下,建立轮胎稳态滚动的三维有限元模型.分析轮胎静态加载过程、加速过程、自由滚动过程,得到不同工况下胎圈和胎冠部位的应力云图以及帘线的等效Von mises应力,并进一步得出轮胎复合材料中帘线和橡胶之间的相时位移,发现在胎圈部位帘线和橡胶出现剥离现象,为进一步研究轮胎动态特性提供了参考.     

钢丝帘线／橡胶复合材料弹性模量散斑测定法

由钢丝帘线和橡胶组成的子午线轮胎带束层是属于一种特殊的复合材料。此复合材料中的钢丝帘线与橡胶两者的弹性模量相差十分悬殊，两者的刚度比很大，测定此类复合材料的弹性模量较为困难。本文叙述了用激光散斑法测定子午线轮胎带束层部位的材料弹性模量的原理、方法和结果     

维尼纶纤维增强石膏基复合材料力学性能研究

研究了石膏基复合材料的结构、耐水机理和物理力学性能.结合弯曲载荷变形曲线,分析了维尼纶纤维增强石膏基复合材料的断裂机理;利用扫描电子显微镜,分析了复合材料界面性能.结果表明:石膏基复合材料实现了单一的结晶到晶胶共生的结构转变,材料的强度和耐水性得到改善;维尼纶纤维能提高复合材料的抗折强度、断裂能、断裂韧性和冲击韧度;维尼纶纤维增强石膏基复合材料断裂过程可分为3个阶段:基体断裂、纤维脱粘和纤维拔出;纤维和基体间界面结合强度较弱.     

水润滑条件对UHMWPE复合材料的摩擦行为影响研究

为研究不同水润滑条件对超高分子量聚乙烯/橡胶复合材料摩擦过程的影响,通过高温混炼和热压成型制备不同橡胶填充不同UHMWPE复合材料.利用Mrh-3型环块摩擦实验机,通过控制变量法定量研究不同组分复合材料的摩擦磨损性能,从而优选出最终UHMWPE复合材料.针对选定材料研究3种水润滑工况对摩擦过程的影响,同时利用SEM分析磨损表面,从微观层面探究摩擦机理.实验结果表明,水润滑条件对UHMWPE复合材料摩擦磨损性能指标影响显著,对应的磨损机理迥异,润滑条件的改善可使磨合期变短,稳定磨损期变长.从微观和定量方面综合评估了舰艇水润滑轴承材料在不同水润滑条件下的磨损状况,可为工况规划与实际应用提供理论指导.     

颗粒脱黏对异质摩擦界面点接触弹流润滑的影响

建立了异质摩擦界面点接触弹流润滑模型,利用MATLAB对其进行数值仿真,研究了颗粒脱黏对接触区域油膜厚度和压力分布的影响,并分析了异质材料内部的最大剪应力分布情况。结果表明,不同形式的颗粒脱黏均会增加颗粒分布区域的油膜厚度,其中颗粒上方脱黏的作用最为明显;随着颗粒埋布深度的增加,其脱黏对于膜厚的影响逐渐减小,高弹性模量颗粒脱黏对油膜厚度变化的影响小于低弹性模量颗粒脱黏;颗粒发生脱黏后,油膜压力会在油液移出颗粒分布区域时产生激增,严重影响点接触弹流润滑性能;颗粒脱黏会在颗粒靠近脱黏区域的两侧形成很大的剪应力,从而导致异质材料产生裂纹甚至断裂等进一步失效。     

PTFE纤维织物复合材料衬垫的高速摆动摩擦特性

利用自制的摩擦磨损试验机,研究了聚四氟乙烯纤维织物复合材料衬垫的高速摆动摩擦磨损性能,考察了摆动频率和摆动角度对聚四氟乙烯纤维织物复合材料衬垫高速摆动摩擦特性的影响。试验结果表明:在平均线速度相等条件下,摩擦因数随摆动频率的增大而增大,随摆角的增大而减小;在相同平均线速度下,频率高时的摩擦温度和磨损量更高。本试验条件下,PTFE纤维织物复合材料衬垫的磨损机制主要为疲劳引起的片状脱落。     

机械密封用O形橡胶密封圈微动特性

采用含高阶项的Mooney-Rivlin本构模型对机械密封用O形丁腈橡胶圈进行了轴对称有限元分析,重点考察了位移幅值、介质压力、压缩率及摩擦系数对其微动特性的影响.结果表明:随着位移幅值的增加,O形圈在微动界面上可呈现黏着、混合黏滑和完全滑移3种不同的接触状态;介质压力、压缩率及摩擦系数对O形圈的微动运行行为有重要影响;混合黏滑状态下O形圈密封界面摩擦力的显著波动会影响浮动环的浮动性;滑移状态下O形圈伴随着较高的Von Mises应力易导致其发生剪切破坏、表面磨损加剧;而在黏着状态下O形圈的综合性能最佳.因此,应避免O形圈运行于混合黏滑状态,压缩率取10%左右,并降低摩擦系数,以减缓其表面磨损和剪切破坏并满足补偿环浮动性和追随性.     

单纤维拔出试验表征硼纤维/环氧界面剪切强度研究

设计了一种单根硼纤维拔出试样制备方法,并测试了不同树脂基体的硼纤维/环氧复合材料的界面剪切强度;研究了单根硼纤维拔出界面破坏过程.结果表明:单根硼纤维拔出过程中,首先在纤维包埋起始部位和包埋端部产生裂纹,最后包埋中间部位的树脂基体破坏.摩擦力承担着较大的纤维拔出载荷;加入15%的液体丁腈橡胶硼纤维/环氧复合材料的界面剪切强度为33.69 MPa.     

碳纳米管/天然橡胶复合材料的物理性能

为拓展碳纳米管应用领域,开发新型橡胶纳米复合材料,在碳纳米管预处理基础上,通过机械混炼方法将碳纳米管与天然橡胶复合。研究表明,与传统炭黑增强样品相比,碳纳米管在橡胶中的混入速度快,温升幅度小,混炼胶的硫化返原现象减轻。经过分散粘合体系处理,碳纳米管在橡胶中的分散性及界面粘合状况改善,热处理后复合材料的整体力学性能提高,对比炭黑增强样品,碳纳米管复合材料的弹性模量和玻璃化转变温度高,回弹及动态压缩性能好,并且热稳定性较高。     

滚动轮胎接触摩擦行为的实验研究与数值分析

利用LAT 100型室内磨耗和牵引实验机测试橡胶轮试件在不同接触压力和滑动速度下的摩擦系数,得到表征胎面橡胶摩擦行为的摩擦定律.为验证所得摩擦定律的有效性,使用ABAQUS软件模拟考虑橡胶摩擦行为的橡胶轮试件稳态侧偏滚动过程,并将胎面橡胶摩擦定律应用于轮胎在较大侧偏角范围内侧偏滚动的
显式有限元模拟,考察了轮胎在不同侧偏角下的接地压力分布.结果表明,轮胎稳态侧偏响应的计算与实测结果吻合,且数值震荡控制在较小范围内.     

连续弯梁桥盆式支座摩擦滑移特性分析

为研究支座摩擦滑移效应对混凝土弯梁桥横向偏位的影响,通过ANSYS建立了GPZ(2009)2.5SX±50mm型盆式橡胶支座的三维实体模型,基于此,对盆式橡胶支座的聚四氟乙烯板、盆环、三向受压橡胶块、支座底板的应力和变形做了细致分析;采用有限元模拟支座竖向承载力试验,将得到的荷载位移曲线与交通运输部公路科学研究院完成的2.5MN盆式橡胶支座的承载力试验结果进行了对比。结果表明：盆式橡胶支座具有稳定的力学性能,设计竖向荷载作用下支座的最大主应力、竖向压缩变形、径向变形均满足设计要求;竖向压缩变形的有限元计算值与试验值最大误差为4.8%,验证了有限元模型的准确性,,为后续进行支座摩擦滑移特性分析奠定基础。     

深井超深井裂缝性地层致密承压封堵实验研究

深井超深井裂缝性地层钻井过程中极易发生钻井液漏失,桥接堵漏材料形成的裂缝封堵层在高温、高压、高地应力等复杂环境下失稳破坏加剧,导致堵漏成功率和裂缝封堵效果难达预期。基于多级多粒桥接堵漏的思路,以川西地区双鱼石区块超深井钻井常用的WNDK-1型架桥材料和耐高温橡胶颗粒为研究对象,系统开展了高温老化环境下堵漏材料性能评价与裂缝封堵模拟实验。实验结果表明,在150℃钻井液中老化24 h后,WNDK-1型刚性材料的粒度分布未产生明显变化,摩擦系数最高降低1.89%,抗压强度降低1.15%;橡胶颗粒的粒度分布D₉₀值增加3.55%,摩擦系数增加1.59%,抗压强度保持不变;将刚性材料、弹性材料和纤维材料以适当浓度与钻井液复配并进行裂缝封堵,形成的封堵层承压能力普遍高于13 MPa,且封堵层具有低孔低渗特征;观察封堵失稳后裂缝内封堵层结构形态可知,高温老化环境下多级多粒桥接堵漏形成的封堵层主要发生摩擦/复合失稳和剪切错位失稳。     

基于摩擦滑移的板式橡胶支座耗能试验

地震作用下支座剪切滑移可以耗散部分能量,减轻桥梁下部结构损伤。为研究中小跨径梁桥板式橡胶支座剪切滑移耗能性能,采用3组不同轴向压应力单面滑动支座与1组无滑移支座试验。分析了不同轴向压应力下支座剪切滑移现象、滞回曲线、等效刚度、等效阻尼比。结果表明:随着轴向压应力降低,支座的滑动位移显著增大,脱空明显,滞回曲线面积增大,耗能能力显著增强;但限制了支座自身等效剪切变形与等效刚度的发挥。中小跨径桥梁可利用支座摩擦滑移耗散地震中的能量,该研究成果为进一步评价服役混凝土梁桥的安全性和可靠性提供了量化力学指标。