（光学工程专业论文）轮胎橡胎部件挤出成型过程仿真研究.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密团。 学雠文储繇粮矿 2 0 11 年石月d 日 指导教师 2 0 11 年易月p 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 旌羡缈 日期：2 0 1 1 年多月on 轮胎橡胶部件挤出成型过程仿真研究 s t u d yo f t h ee x t r u s i o ns i m u l a t i o no fr u b b e r p a r t 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 挤出成型是橡胶、塑料等聚合物成型加工中最重要的工艺方法之一。随着我 国汽车制造业的蓬勃发展，市场对轮胎的需求量越来越大，对轮胎的性能要求也 越来越高，面对越来越多的机械设备和越来越多的产品种类，如何在实际生产中 控制各个工艺参数，保证胶料挤出质量，是轮胎行业所关注的问题，也是聚合物 加工领域的当前重要课题之一。而在目前的轮胎制造过程中，胶料的挤出仍以“试 差法 调整为主，其试制周期长、成本高，阻碍了轮胎制造“高速、高产”的发 展要求。 本文以某载重子午线轮胎胎面胶为研究对象，运用p o l y f l o w 软件对其挤出 进行仿真分析，研究挤出工艺条件对胶料挤出成型的影响和胶料挤出流动规律， 为轮胎制造工艺参数的快速设定提供理论上的依据。主要包括以下几个部分： 1 建立胶料挤出有限元模型。对胎面胶挤出预口型和口型进行测绘，运用c a t i a 进行建模，建立仿真分析的几何模型。利用p o l y f l o w 的专用前处理软件g a m b i t 划分网格得到有限元模型，并设置相关的边界条件。 2 对胎面胶的流变力学性能参数进行流变试验，运用p o l y m a t 软件包对试验数 据进行参数拟合，确定仿真分析中选用b i r d c a r r e a u 本构模型中相关流变参数。 3 仿真分析胎面胶牵引速度、壁面滑移系数和螺杆转速( 入口流量) 等工 艺参数，对胶料挤出流动规律以及胎面胶在挤出胀大和形状等方面的影响。 利用胎面胶挤出机在不同的工艺参数条件下，测得挤出胶料的断面尺寸， 并与仿真结果进行了对比，结果表明工艺参数的变化对胶料流动具有较大的影 响，仿真与实验结果具有良好的一致性，说明胎面胶挤出成型模拟计算的正确 性 关键字：胎面胶、挤出成型、仿真分析、p o l y f l o w 江苏大学硕士学位论文 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t e x t r u s i o nf o r m i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d sa p p l i e di nt h ep o l y m e r f o r m i n g ，s u c ha st h er u b b e ra n dp l a s t i ce t c w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l e m a n u f a c t u r ei no u rc o u n t r y , t h eq u a n t i t yd e m a n df o rt h et i r ei si n c r e a s i n gr a p i d l y , a s w e l la st h eq u a l i t yd e m a n d i nt h ef a c eo fs om a n ym e c h a n i c a le q u i p m e n t sa n dt h e v a r i e t yo ft h et i r et y p e ，h o wc a nt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sb eq u i c k l ys e ti nt h e p r o d u c t i o n ，a n dm a k es u r et h eq u a l i t yo ft h er u b b e rp a r t ? w h i c hi st h ec o m p a n i e s c o n c e r n e d ，b u tn o wi nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，m a n yc o m p a n i e sa r eu s i n gt h e m e t h o dc a l l e d t r i e sa n de r r o r ”，i t sw e a k n e s si sc o s t i n gt o om u c ht i m ea n dm o n e y , a n d i td e f i n i t e l yd o e sn o ts a t i s f yt h e m o r es p e e d ，m o r ep r o d u c t i v e ”d e v e l o p m e n tn e e d i no r d e rt oh a n d l ew i t ht h ep r o b l e m ，t h ec f ds o f t w a r en a m e dp o l y f l o wi sa p p l i e d t os t i m u l a t et h er u b b e rp a r te x t r u s i o np r o c e s s ，t h er u b b e rs w e l lp h e n o m e n o ni s a n a l y s i s ，a sw e l la st h ee f f e c tt h a tp r o c e s sp a r a m e t e r sh a v eo nr u b b e re x t r u s i o n ，t o f i n do u ts o m er u l e sb e t w e e nt h e m a l lt h ef r u i t sc a nc o n t r i b u t et os e tt h ep r o c e s s p a r a m e t e r sb e t t e ra n dm o r eq u i c k l y , t h et h e s i si n c l u d e st h eb e l o wf o u rs e c t i o n 1 b u i l du pt h ef e am o d e l m e a s u r et h ep r e d i ea n dd i e ，b u l i du pt h eg e o m e t r y u s i n gc a t i a ，t h e ni n p u tt h eg e o m e t r yi n t ot h eg a m b i ta n dm e s h ，a n ds e tt h e c o r r e s p o n d i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n s 2 c a r r yo u tt h ee x p e r i m e n to nr h e o l o g i c a lp r o p e r t yo fr u b b e r , w i t ht h eh e l po f p o l y m a ts o f t w a r e ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t ac a nb ef i t t e dt of i xt h er u b b e rr h e o l o g i c a l p a r a m e t e r s ，w h i c hi si n c l u d e di nt h e “b i r d - c a r r e a u ”c o n s t i t u t i v em o d e l 3 b u i l du ps e v e r a lm o d e l sb ys e td i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s ，c o m p l e t et h e s e m o d e l sa n a l y s i s ，s t u d yt h es i m u l a t i o nr e s u l t st of i n do u tt h er u l e sb e t w e e np r o c e s s p a r a m e t e r sa n dt h es w e l lp h e n o m e n o n t e s ta n dv e r i f y s e tt h ed i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r si nt h er u b b e rp a r tp r o d u c t i o n ， a n dc o m p a r et h ed i m e n s i o nb e t w e e nr e a la n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，i no r d e rt ov 甜矽t h e q u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o c e s sp a r a m e t e r s h a v em u c hi n f l u e n c eo nt h ee x t r u s i o np r o c e s s ，a n dt h es i m u l a t e dr e s u l t si na c c o r d a n c e i l l 江苏大学硕士学位论文 w i t ht h et e s tr e s u l t s ，i tm a n i f e s t st h ec a em e t h o dc a ng u i d et h er u b b e re x t r u s i o n p r o d u c t i o n k e yw o r d s ：b a s i ；e x t r u s i o nf o r m i n g ；s i m u l a t i o na n a l y s i s ；p o l y f l o w i v 江苏大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论1 1 1 工程背景与研究意义1 1 1 1课题来源1 1 1 2 研究目的及意义1 1 2 轮胎胶料挤出成型3 1 2 1 轮胎胶料挤出技术3 1 2 2 轮胎挤出成型工艺4 1 2 3 挤出成型技术的发展趋势5 1 2 4 挤出成型工艺的质量问题及原因5 1 3 轮胎胶料挤出模拟研究现状6 1 3 1 混炼胶流变性能研究现状6 1 3 2 轮胎胶料挤出成型仿真研究现状7 1 4 计算机辅助工程c a e 技术i 8 1 5 本论文的研究内容1 0 第二章轮胎胶料流变性能的试验研究1 1 2 1 引言。1 1 2 2 流变试验仪器简介1 1 2 2 1r p a 2 0 0 0 橡胶加工分析仪1 1 2 2 2 测试原理j 1 3 2 3 胎面胶流变试验1 4 2 3 1 试验材料1 4 2 3 2 试验步骤j 1 4 2 4 胶料的本构方程分析和比较1 5 2 5 试验结果分析1 6 2 6 本章小结1 9 第三章胶料挤出有限元模型的建立2 1 3 1 引言2 1 3 2 口型几何模型的建立2 1 3 3 胶料挤出数学模型的建立2 2 3 3 1 流体的连续性方程2 2 3 3 2 流体的动量方程2 3 3 3 3 流体的能量方程2 4 3 4 滑移模型的分析与比较2 4 3 5 胶料挤出有限元模型的建立2 5 3 6 本章小结2 7 v 士学位论文 2 8 2 8 2 8 2 8 2 9 2 9 3 1 3 1 3 6 3 9 4 3 生4 z 1 4 4 5 4 5 4 7 4 8 4 8 4 8 5 0 5 3 5 4 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 工程背景与研究意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于风神江大车轮研究所和风神轮胎股份有限公司的长期合作项 目，主要围绕胶料的流变实验与挤出成型仿真展开研究，旨在了解胶料挤出流动 状态，为挤出机口型和挤出工艺参数的确定提供依据，以节省时间，提高胶料挤 出质量。 1 1 2 研究目的及意义 随着我国汽车工业以及公路技术的蓬勃发展和汽车保有量的增加，轮胎制造 业的生产能力迅猛地增长，目前中国轮胎产量已经超过美国成为世界第一大轮胎 生产大国。然而，轮胎行业技术壁垒严重，一些关键工艺设定主要掌握在外资企 业手中，造成本土企业在轮胎的竞争中处于下风。与国外品牌的轮胎相比，国内 生产轮胎的性能和质量差距很大。主要原因在于我国轮胎的研发技术基本上全部， 依靠国外，自主研发能力低是制约轮胎性能和质量提高的主要因素，而胶片作为、 轮胎部件的其质量决定了轮胎的品质。要制作好轮胎，除了工艺设备配套、轮胎 结构设计合理外，胶料性能优良因素也占很重要的位置。胶料挤出有多影响因素， 如机头流道的设计、口型的形状、螺杆速度、牵引速度等，不同胶料挤出成型时 需要这些参数的合理匹配，如果这些参数匹配不合理，胶料挤出过程中会出现许 多缺陷，如胶料表面出现毛糙、焦烧、螺旋形和波浪形等不规则现象( 即鲨鱼皮 症) 和熔体破裂等缺陷【1 、2 1 。因此轮胎制造过程中，如何进行合理的流道设计、 口型设计、控制工艺参数是一个值得研究的课题。 橡胶胶料挤出调试项目一般包括四个方面：( 1 ) 口型形状：口型形状是胶料 挤出断面形状最为重要的因素；( 2 ) 胶料：由于胶料是橡胶、炭黑和橡胶助剂的 混合物，各组分对胶料的密度，硬度以及流动变形都有不同的贡献，因此当胶料 变更时，一般都需要适当修改口型和调整工艺参数来实现预期的挤出形状；( 3 ) 流道：流道结构决定了胶料流动，对胶料挤出质量有着至关重要的影响；( 4 ) 工 艺参数：包括挤出机螺杆的转速、牵引速度等工艺参数均影响着产品的断面形状。 江苏大学硕士学位论文 如图1 1 、1 2 所示，不同胶料流过口型的速度分布的差异，从而引起挤出变形的 不同。 图1 1 不同的胶料在口型内流动速度分布 图1 2 不同的胶料挤出( 离开口型后) 变形 1 、2 、3 不同胶料1 、2 、3 不同胶料 目前国内轮胎制造企业在挤出工艺参数的控制主要还是依靠员工的经验，即： “试差法 ，其流程如图1 3 所示。成熟的工艺参数的获得需要反复修模和试模， 造成新产品试制周期长、成本高。另外，由于缺乏理论上的指导，胶料挤出质量 稳定性差，这些弊端很难满足现代工业的快速发展，胶料挤出仿真分析方法的出 现为解决这一难题的解决提供了一个有效的途径。 图1 3 试差法设计过程流程图 f i g 1 3f l o wc h a r to fd e s i g np r o c e s so ft h em e t h o d “t r i a la n de r r o r 2 江苏大学硕士学位论文 本课题的研究为轮胎橡胶部件的挤出过程提供了一种数值模拟的方法，应用 仿真技术了解橡胶熔体的挤出流动状态，分析工艺参数对胶片挤出的影响，从而 最大程度的缩短试制的生产周期，以减低生产成本、改进和优化工艺参数提高产 品的市场竞争力。因此，在本课题的研究具有非常显著的现实应用意义，同时也 为其他类材料( 如塑料、纤维等) 的挤出加工提供借鉴。 1 2 轮胎胶料挤出成型 1 2 1 轮胎胶料挤出技术 图1 4 示出了轮胎的制造过程。轮胎胶料成型技术有压延、挤出、注压三种， 其中挤出成型有很多优点：操作容易，更换成品规格迅速，挤出成品质量好( 规 格准确、致密型好) ；能同时挤出多种配方的胶料，容易实现自动化、联动化和 连续化的流水作业，因此挤出成型在胶料挤出方面得到了广泛的应用。挤出成型 主要是利用螺杆旋转加压方式，连续地将塑化好的胶料从挤出机的机筒中挤入机 头，熔融物料通过机头口型成型为与口型形状相仿的型坯，用牵引装置将成型制 品连续地从模具中拉出，同时进行冷却定型，制得所需形状的制品。挤出成型主 要包括加料、塑化、成型、定型等过程。要获得外观和内在质量均优良的橡胶制 品，是与原材料配方、挤出水平、机头模具设计与加工精度、断面结构设计及成 型工艺条件等分不开的。挤出成型工艺参数的控制包括挤出机工作压力、工作温 度、螺杆转速、挤出速度、牵引速度、排加料速度及冷却定型等。挤出工艺条件 又随挤出机的结构料品种、制品类型、产品的质量要求等的不同而改变【3 】。 图1 4 轮胎制造流程图 f i g 1 4f l o wc h a r to ft i r em a n u f a c t u r e 3 江苏大学硕士学位论文 尽管螺杆挤出成型的技术已有上百年的历史，但其发展迟缓，直至二十世纪 六十年代在理论和实践上有所进步，使热喂料挤出技术发展到冷喂料挤出技术、 冷喂料排气挤出技术、销钉冷喂料挤出技术及冷喂料和冷热喂料组合式复合挤出 技术。螺杆挤出技术除用于挤出橡胶部件外，还发展到胶料混炼的领域。 1 2 2 轮胎挤出成型工艺 1 热喂料挤出成型工艺 热喂料挤出成型其使用的是经由热炼机的胶料，其根据各种胶料的物理化学 性能与机械性能进行热炼并达到一定温度，以便满足挤出成型所需要的供胶条件。 其妻头喂料挤出成型工艺一直在橡胶工业中使用了1 0 0 多年，甚至在出现先进的冷 喂料挤出成型工艺的今天，也保留着热喂料挤出成型的工艺。但是热喂料有两个 不可克服的缺点：一是由于热喂料挤出机螺杆长径比较小，机头压力容易受到喂 料条件的影响导致机头压力波动，使半成品质量的均匀性下降；二是由于喂料的 胶料可塑性较高，流动性相对较大，受机头压力影响产生回流，很难建立起较高 的挤出压力。因此其挤出半成品的致密性较差，影响挤出半成品质量的提高【4 5 】。 2 冷喂料挤出成型工艺 冷喂料挤出成型所使用的胶料是常温的胶料，这些胶 入冷喂料挤出机中。胶料通过大长径比的螺杆一机筒系统 联合作用，使胶料达到预期的塑化程度，然后通过机头的 量高的半成品。冷喂料取消了热炼供胶、因此热炼的功能 工艺来承担，因此冷喂料挤出机使用了比热喂料挤出机大 的长径比，其主要特点：一是机头压力受喂料条件影响较 稳定，则其挤出半成品质量均匀性好；二是冷料喂入，其 容易建立其压力，而且机头压力对回流影响较小，敏感性 较高，一般比热喂料高出了2 至4 倍。因此从简化工艺过程 冷喂料挤出工艺将会取代热喂料挤出工艺。 橡胶挤出机总的发展趋势是由热喂料向冷喂料发展。 出机已成为发展主流【6 j 。 4 江苏大学硕士学位论文 1 2 3 挤出成型技术的发展趋势 早期的挤出机首先用在电缆的复胶，随后用在胶管、胎面的挤出和滤胶等。 这些用途主要局限在简单的压型、复胶和原材料的加工上。2 0 世纪8 0 年代以来， 伴随着激烈的市场竞争，激发了挤出机用途的迅速扩展，主要表现在以下几个方 面【7 13 1 。 1 从单一的挤出发展到各种各样制品的复合挤出。如胶管的复合、胶片的复合 以及胎面的复合。制品通过复合可以使用不同的配方，不但可以节省原材料、降 低成本，而且还可获得制品的优良性能，包括耐腐蚀、耐磨或表面美观等。 2 橡胶制品的压延成型发展到挤出成型。如防腐板材、防水卷材、子午线带束 层等。挤出成型不但可以大大地简化生产工艺、提高生产效率，而且在高压的机 头压力下其成型质量也显著提高。 3 形状复杂制品或大型制品的成型发展到挤出绕贴成型。如工程轮胎胎面胶的 缠绕成型、胶管的缠绕成型、翻新胎面的缠绕成型等。缠绕成型可以把难于用常 规方法和设备成型的橡胶制品，通过挤出特定的胶条容易地缠贴成所需各种形状 的橡胶制品或叠加成大型橡胶制品，这种方法既解决了制品的成型问题，又解决 了制品的质量问题。 4 从开炼机预热供胶发展到冷喂料挤出供胶。如压延机的冷喂料挤出供胶等。 这种挤出机供胶方法节省了开炼机供胶庞大的设备和占地面积、节省了电能和劳 动量、改善了生产环境、提高了供胶质量等。 5 橡胶间歇塑炼发展到挤出的连续塑炼，如橡胶螺杆塑炼机。螺杆塑炼能有效 地提高生产效率、简化生产工艺、节省能源，同时能比较容易实现机械化、联动 化和自动化。目前螺杆连续塑炼机虽然在塑炼的均匀性和温升高等方面存在问题， 但这些问题是可以解决的。 总的来说，挤出成型技术的发展趋势就是高速化、高效化和精密化，人们一 方面在追求生产效率，降低生产成本；另一方面不断追求挤出成型制品几何精度 和内在性能均匀性。 1 2 4 挤出成型工艺的质量问题及原因 挤出工艺在橡胶制品生产中应用极为普遍，其工艺质量直接影响着制品的质 量和生产效率。如工艺条件掌握不当，挤出成品常会产生表面毛糙、焦烧、螺旋 s 状做一个概括。 1 3 1混炼胶流变性能研究现状 混炼胶的流变特性( 粘性、粘弹性) 极其复杂，与很多因素有关，如温度、 时间、应变率、压力和组成成分等。为此在研究胶料流变特性时需要研究不同工 况条件下的流变性能以便发现内在的规律并加以合理地表达。l i a n gj i z h a o ”1 采用 6 一。 _ 江苏大学硕士学位论文 毛细管流变仪测试得到n r s b r 共混物的粘度对压力的敏感度以及挤出速度、温 度等因素对粘度的影响；p r e m a n m o n y g h o s h 1 6 】采用p h e o t r o n 锥板流变仪分别测试 分析了e p d m 配方中发泡剂、硫化剂及炭黑填充剂对其流变性能的影响。 n c n a y a k 17 】于2 0 0 2 年采用加工仪器( m p t 8 3 0 7 7 ) 测试丁晴橡胶和高苯乙烯树 脂复合材料的流变特性，得出粘度和剪切速率的关系服从指数定律；唐海龙【1 8 】等 用r p a 2 0 0 0 橡胶加工分析仪测试了生胶和混炼胶的复合模量对剪切速率的关系， 也证实了粘度和剪切速率之间指数定律。而目前在描述橡胶熔体方面引用最广泛 的是指数定律的变种b i r d c a r r e a u 本构，戴元坎【1 9 】等人分别采用2 0 0 平板旋转流 变仪和r h 7 2 双筒毛细管流变仪分别测试了低剪切速率和高剪切速率下e p d m 混 炼胶的流变特性，其粘度与剪切速率关系符合b i r d c a r r e a u 本构模型。b i r d c a r r e a u 本构模型的主要优势在于它能正确描述极低和极高剪切速率时胶料粘度的变化， 即：当剪切速率很低的时候，其粘度是否趋向于无穷大；剪切速度很高的时候， 其粘度是否又趋向于无穷小。实验表明与指数定律相比b i r d c a r r e a u 本构模型具 有描述流变性能更加准确、求解稳定、收敛性好的优势。 1 3 2轮胎胶料挤出成型仿真研究现状 一 近几十年来，由于数值方法和计算机技术的飞速发展，特别是大型有限元软 件的开发和应用，人们已开始采用计算机对胶料挤出过程的流场进行仿真研究。 有关聚合物材料挤出加工过程的仿真研究得到了长足的进步，国外很多企业在研 发新产品的时候，不在按照以前传统的“试差法 而是运用计算机辅助技术对产 品进行计算机仿真模拟，通常胶料的性能选择粘性本构或者粘弹性本构来描述， 在胶料全部充满整个流道的假设条件下，对胶料的挤出过程进行二维或者三维的 流场模拟，探索流道结构、口型结构、挤出工艺参数、胶料的性能、温度变化等 等对聚合物挤出流动及挤出胀大现象的影响，以此来指导产品的技术参数【2 们。胶 料挤出仿真分析主要应用以下几个方面： 1 流道结构 挤出模设计中最关键部分是挤出机头流道的设计，一般来说，机头流道一般 包括四个阶段：1 过渡段、2 分流段、3 收缩段4 平直段。而机头流道设计的重要 原则就是保证整个挤出物稳定均匀的离开机头，同时还要求流道呈光滑的流线形 状，避免停滞及由停滞导致的热分解等。刘成【2 1 、2 2 l 等人利用p o l y f l o w 模拟流 7 江苏大学硕士学位论文 道系统，分析了岐管锥度、岐管偏角和岐管半径对出口方向的流速分布和流动均 匀性的影响，从而确定合理的岐管锥度、岐管偏角和岐管半径，并提出了新型的 流线型流道系统设计方法。 2 口型结构 胶料挤出过程中，除了合理的流道结构外，合理的挤出口型也会对挤出物的 挤出速度分布产生一定的影响，如何设计出合理的口型结构，也是一个很重要的 研究课题。上海交通大学的周持兴对此进行较为深入的研究，提出一种非直 型的口型结构，建立橡胶密封条挤出直线型和非直线型口型模型并进行模拟，发 现非直线型的比直线型的口型会更有利于胶料的均匀挤出和降低所耗费的能量， 从而为口型结构设计提供了指导作用。 3 挤出工艺参数 橡胶的挤出质量有关有多工艺参数，如入e l 压力、螺杆转速、温度设定等。 这些参数能否合理设定，对胶料挤出质量有很重要的影响。上海交通大学的周持 兴对这方面进行了一些探索，分别对不同牵引速度下的橡胶密封条挤出进行了模 拟，发现当牵引速度过大的时候，挤出物形状会发生畸变，挤出物形状会变小的 规律，对设定合适的牵引速度的问题，有一定的指导意义。 1 4 计算机辅助工程c a e 技术 计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助设计( c a e ) 是最近发展起来的计算科 学和工程科学的技术应用领域。随着科技和现代工业文明的快速发展，传统的机 械产品对其设计方法和手段提出越来越高的要求，主要表现在速度快、质量好、 低成本三个方面。以往一直采用的近似设计、类比设计以及经验设计等方法已经 远远满足不了现代的要求，这就促使人们去寻求一种更新、更快、更好的现代设 计方法，c a d c a e 计算正式适合这一要求而生的。而近代的计算机技术和理论 研究的升入更是使得该技术越来越成熟、可靠性越来越强。 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法， 在上个世纪5 0 年代首先在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中得到 应用，到了2 0 世纪7 0 年代初期，大型通用有限元软件的出现，这些软件功能强 大，计算可靠，工作效率高，因此逐步成为结构分析中的强有力武器。过去2 0 8 江苏大学硕士学位论文 年来，许多通用程序被开发出来，这使得有限元的应用领域从结构分析扩展到各 种物理场的分析，如今有限元广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连 续性问题【2 4 1 。 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是2 0 世纪6 0 年代 起伴随计算机技术迅速崛起的学科。经过半个世纪的迅猛发展，这门学科己相当 成熟，成熟的一个重要标志是近十几年来，各种c f d 通用性软件包陆续出现， 成为商品化软件，为工业界广泛接受，性能日趋完善，应用范围不断扩大。至今， c f d 技术的应用早己超越传统的流体力学和流体工程的范畴，如航空航天、船舶、 动力、水利等，而扩展到化工、核能、冶金、建筑、环境等许多相关领域中去了。 目前应用比较广泛的通用有限元中，c f d 软件有a n s y s 、m o l d f l o w 、f l u e n t 、 p o l y f l o w 、p o w e r f l o w 、f l o w 2 0 0 0 等。 图1 5p o l y f l o w 分析过程 f i g 1 5t h ea n a l y s i sp r o c e s so fp o l y f l o w p o l y f l o w t 2 5 】是比利时l o u v a i n 大学于19 8 2 年研发成功的，具有强大的解 决非牛顿流体、非线性问题的能力，专用于粘弹性材料的流动模拟。它主要适用 于高分子材料的挤出成型、吹塑成型、挤出纺丝、层流混合过程中的流动及传热 和化学反应问题。多年来，p o l y f l o w 在模拟粘弹性流动方面始终领先于其他 9 江苏大学硕士学位论文 软件，在橡胶熔体在机头挤出流动的应用，其占绝对主导地位，对挤出成型、挤 出胀大流动、逆向设计等都有很多研究。其分析过程可以分为三个步骤：建立模 型、设置边界、求解和查看结果，具体如图1 5 所示。 1 5 本论文的研究内容 本文通过胶料流变试验确定胶料流变参数和有限单元法仿真相结合的方法， 研究胶料挤出成型、以提高工艺参数调试能力和精度。本论文着重在以下几个方 面展开了研究： 1 胎面胶流变性能的测试研究 采用r p a 2 0 0 0 橡胶加工分析仪测试了胎面胶的粘性流变行为，研究了其在 流动过程中剪切粘度与剪切速率的关系，同时运用p o l y m a t 软件包，拟合出 用来描述胎面胶的本构模型b i r d c a r r e a u 中的流变参数，并且分析温度对流变参 数的影响。 2 橡胶胶料挤出过程仿真分析 对于橡胶胶料挤出过程进行仿真研究，研究了工艺参数一壁面滑移、牵引速 度和螺杆转速( 入口流量) 对挤出长大，挤出速度分布、压力分布和挤出产品形 状的影响，分析得出它们之间的关系，以此来指导实际的挤出工艺参数的调试。 3 试验验证 在实际的生产过程中，设定不同的工艺参数，测得挤出胶料的实际尺寸，与 仿真结果对比，以验证仿真的正确与否。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章轮胎胶料流变性能的试验研究 作为轮胎部件的橡胶胶料是一种由聚合物与添加剂组成的高弹性高分子材 料( 以下简称橡胶) ，经过挤出加工成型而成。在常温下橡胶处于高弹态，当温 度降到其结晶温度以下时，橡胶进入结晶态。橡胶在挤出流动过程中，由于当流 道温度升至某临界点( 随胶种不同而各异) ，橡胶由高弹态转入粘流态，此时， 在外力作用下，橡胶呈现流动状态。本文将高温下流动的橡胶胶料称为橡胶熔体， 橡胶熔体在口型中的流动及挤出胀大现象正确模拟，取决于对橡胶流变特性的准 确描述，因此对于橡胶本构模型的选取和流变性能的测试有其非常重要的意义。 目前对橡胶的流变性能的测试广泛，使用的仪器主要有2 0 0 平板旋转流变仪、 r h 7 2 双筒毛细管流变仪和r p a 2 0 0 0 橡胶加工分析仪，前两项仪器在高校研究 中使用较为普遍，在工业生产中使用较多的是r p a 2 0 0 0 橡胶加工分析仪。本章 采用r p a 2 0 0 0 橡胶加工分析仪对橡胶胶料b a s i 进行流变性能测试，得到流变 规律，拟合出其流变参数。 2 2 流变试验仪器简介 2 2 1r p a 2 0 0 0 橡胶j j n - r 分析仪 胶料流变性能测试采用美国阿尔法科技公司生产的r p a 2 0 0 0 橡胶加工分析 仪，该仪器的主要技术指标：1 、试验腔：密封式双圆锥模腔，试样体积约4 5 c m 3 ； 2 、温度测试范围4 0 2 3 0 ，可控升温和冷却速率，最大升温速率可达1 秒； 3 、振荡角度：+ 0 0 5 0 到+ 9 0 0 ，最小步长：0 1 4 ；4 、使用薄膜推荐最大可用 应变= 5 0 ；5 、振荡频率：o 0 3 3 h z ，最小步长：0 0 2 h z ；( 最大剪切速率= 3 0 s ， 等同于加工速率2 0 0 s 1 ) 6 、标准扭矩范围：1 0 。2 1 2 5 n m 。 费用。 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 2 2 测试原理 r p a 2 0 0 0 橡胶加工分析仪属于一种旋转流变仪，依靠旋转运动产生简单剪切 流动，快速确定材料的粘性，弹性等各方面的流变性能。测试原理如图2 2 ，引 入流动的办法驱动夹具，产生力矩，以此来给测试的物料产生一定的应变和应力， 夹具的几何结构有同轴圆筒型，锥板型和平行板型，r p a 2 0 0 0 橡胶加工分析仪 属于平行板型，下面介绍其测试的基本原理【2 6 1 。 卜一段叫 图2 2 平行板结构 漉体 f i 9 2 2p a r a l l e l - p l a t es t r u c t u r e 平行板的结构如图，两个间距为r 的同心圆盘，中间放置被测胶料，上下 圆盘旋转实现对被测胶料的剪切，扭矩和法向应力可以在任何_ 个圆盘上测量。 边缘表示了与空气接触的自由边界，在自由边界上的界面压力和应力对扭矩和轴 向应力测量的影响可以忽略，这种结构对于高温测量和多相体系的测量非常适宜。 一方面，高温测量时热膨胀效应被最小化；另一方面，平行板间距可以很容易调 节，对于直径为2 5 m m 的圆盘，经常使用的间距为1 _ m m ，对于特殊用途，也 可使用更大的间距，且在大间距下，自由边界上的界面效应可以忽略。稳态条件 下的速度分布为： = q ，( 1 一) ( 2 1 ) 剪切速率可以表示为： = y - p = q ( 2 2 ) 对于非牛顿流体，因为剪切速率随径向位置而变化，粘度不在于扭矩成正比， 因此需要进行r a b i o w i t c h 型的推导。扭矩可表示为： m = 2 n - 卜矿办砌r 掣 眨3 ， 江苏大学硕士学位论文 ，：坐 ( 2 4 ) ，= k z | ， h 将上面式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) 联合化简可以得到： 刁( 以) 2 袁 2 3 胎面胶流变试验 2 3 1 试验材料 ( 2 5 ) 胶料是使用冷喂料挤出工艺挤出的。加料前，机身和机头先通入蒸汽加热， 并开快转速，以使各部分的温度普遍升高到各自的工作温度，然后开放冷却水， 在2 m i n 内使温度骤降到如下的标准：机头7 0 ；机身6 5 ：加料口5 5 。c ；螺 杆8 0 。在实际挤出过程中，口型中胶料的温度基本稳定在1 0 0 一1 2 0 之间， 胶料在流道内停留的时间很短，基本上不发生硫化，温度变化也不是很明显。为 此，试验选用了某载重子午线轮胎未经硫化的胎面胶为试验材料，分别在1 0 0 、 1 0 5 、1 1 0 、1 1 5 、1 2 0 五个温度下进行等温流变试验。 2 3 2试验步骤 对胎面胶进行频率扫描，扫描的频率范围为0 0 1 3 0 h z ，温度分别为1 0 0 、 1 0 5 、1 1 0 、1 1 5 、1 2 0 ，施加的应变为1 4 ，具体的试验步骤如下： 1 、准备5 份相同的胎面胶试件： 2 、将r p a 2 0 0 0 橡胶加工分析仪预热至恒定的实验温度； 3 、将准备的胎面胶试件放入平行板夹具中，加热试件到指定的温度，并且 保温2 m i n ； 4 、进行应变加载，加载至应变率为1 4 ，并且保持2 m i n ，以使得胶片法向 应力完全松弛； 5 、进行频率扫描，得到粘度和频率( 剪切速率) 之间的关系； 6 、重复2 5 试验步骤，分别测得胎面胶在1 0 0 、1 0 5 、1 1 0 、1 1 5 、 1 2 0 的流变试验数据，以便进行流变参数拟合。 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 4 胶料的本构方程分析和比较 在橡胶制品加工过程的仿真研究中，如果采用粘弹性本构是能较真实的反应 其流变行为，但是由于采用粘弹性本构使得模型的非线性大大增加，数值求解非 常困难，因此大部分研究中都是采用简单的流变模型来近似模拟。在本文中，利 用胶料的流变试验数据，对比分析目前广泛使用的两种胶料流变模型，幂率本构 模型和b i r d c a r r e a u 本构模型，以选用合适的本构模型2 7 1 。 图2 3幂率本构模型图2 4b i r d c a r r e a u 本构模型 f i 9 2 3p o w e rl a wf o rv i s c o s i t yf i 9 2 4b i r d - c a r r e a ul a wf o rv i s c o s i t y 如图2 3 、2 4 所示，分别为幂率本构模型b i r d c a r r e a u 本构模型两种应用比 较广泛的本构模型，b i r d c a r r e a u 本构模型是幂率模型的一种变种形式：它们的 表达式分别为【2 8 】： 厂、”一l r i = k i y j ( 2 6 ) r = r 。+ 仞。一巩) i1 + 刀7 2i ( 2 7 ) 从上面可以分析看出，与幂率模型一样，其粘度都是随着剪切速率的增大而 变小的；有所区别的是，其在零剪切粘度的时候，其粘度为一个较小的数值，而 不是为零，在无穷的剪切粘度的时候，其粘度值为一个较大值，而非无穷大，这 样的优势就是更加符合胶料本构实际情况，而且可以避免处理幂率模型所带来的 数值求解上的缺陷，故该本构在橡胶流场仿真模拟方面应用非常广泛。 1 5 江苏大学硕士学位论文 2 5 试验结果分析 通过试验对胎面胶进行频率扫描，得到胎面胶粘度与频率( 剪切速率) 的试 验数据如表2 1 所示： 表2 1b a s i 的粘度与频率扫描数据 t a b l e 2 1b a s sf r e q u e n c ys w e e p i n gd a t a 1 0 01 0 51 1 01 1 51 2 0 剪切速率( j ) o 2 91 0 5 0 0 09 8 5 7 09 4 4 8 99 0 1 2 08 4 8 1 2 0 4 47 5 1 2 97 1 1 6 07 1 9 3 36 5 5 3 43 1 8 0 4 o 7 3 5 0 4 5 04 8 0 3 64 2 3 7 54 4 4 6 3 4 2 2 5 3 1 4 6 2 9 2 0 92 7 9 4 7 2 5 1 4 92 6 1 8 22 5 0 2 0 2 9 21 6 8 0 4 31 6 1 7 9 31 4 7 8 31 5 1 7 7 31 4 6 1 1 3 7 3 17 9 4 7 87 7 0 47 2 1 3 37 3 3 3 87 1 2 9 8 1 4 6 l4 4 4 4 54 3 3 4 54 1 3 4 54 1 5 7 54 0 5 9 5 1 7 5 33 8 0 63 7 0 93 5 7 4 73 5 6 03 4 7 8 2 1 9 23 1 3 1 83