Содержание к диссертации
Введение
Существующие методы оценки упругих свойств резин и резинокордных композитов в сложном напряженно-деформированном состоянии. Литературный обзор 6
1 Напряженно-деформированное состояние (НДС) и упругие потенциалы резины 10
2 Экспериментальные методы определения упругих свойств резин в сложном НДС 22
3 Напряжения и деформации резинокордного композита 25
4 Роль экспериментальных и расчетных методов в задачах механики резины и резинокордных композитов. Цель работы. 53
Упругие свойства резины в сложном однородном НДС . 56
1 Построение упругого потенциала наполненной резины 57
2 Сложное НДС как суперпозиция чистого и простого сдвигов. Главные деформации 74
3 Экспериментально-расчетный метод определения плотности энергии деформации резины в зависимости от инвариантов тензора деформации 78
2.4 Свойства резин в сложном НДС 88
3 Упругие свойства резинокордного композита в сложном однородном НДС 113
3.1 Моделирование реальных условий нагружения резинокордных композитов 113
3.2 Алгоритм решения задачи растяжения резинокордного композита с учетом реальных нелинейных свойств резины 114
3.3 Результаты расчетов НДС резинокордного композита и сравнение с экспериментом 128
Заключение 140
Основные результаты и выводы работы 142
Литература 143
- Экспериментальные методы определения упругих свойств резин в сложном НДС
- Сложное НДС как суперпозиция чистого и простого сдвигов. Главные деформации
- Экспериментально-расчетный метод определения плотности энергии деформации резины в зависимости от инвариантов тензора деформации
- Алгоритм решения задачи растяжения резинокордного композита с учетом реальных нелинейных свойств резины
Введение к работе
Резина, как конструкционный материал, чаще всего работает в условиях сложного напряженно-деформированного состояния (НДС). Это утверждение полностью относится и к наиболее массовому изделию, состоящему, в основном, из резины - к шине. Однако существующие в настоящее время приборы для механических испытаний резин реализуют в испытываемых образцах, как правило, простое НДС - одноосное растяжение-сжатие, простой или чистый сдвиг, изгиб, кручение.
Это несоответствие усложняет задачу прогнозирования механических свойств резин и резинокордных композитов (РКК), работающих в различных деталях конструкции шины в реальных условиях эксплуатации. На основе экспериментов, проведенных в простом НДС, с помощью чисто расчетных методов трудно с хорошей точностью рассчитать свойства резин и РКК в сложном НДС.
В настоящее время механические свойства шинных резин задаются при проектировании в большинстве случаев всего двумя характеристиками (модулями Юнга и всестороннего сжатия). Сколько и какие характеристики надо включать в расчетный метод проектирования шин, какими зависимостями описывать механические свойства - такие вопросы в настоящее время исследованы недостаточно. Если мы не будем изучать этот вопрос, не поймем - как правильно включить свойства материалов в расчетные методы, то попытки приблизить результат расчета к реальности не приведут к требуемому повышению качества изделия.
Сложностью для применения расчетных методов являются два момента: 1) резина, наполненная техническим углеродом - это материал с ярко выраженными нелинейными свойствами, неподчиняющийся закономерностям, вытекающим из линейной теории упругости, 2) резины
работают в области больших деформаций, где модули меняются в несколько раз.
Проблема оценки упругих свойств резин и резинокордных композитов в сложном НДС актуальна при разработке прецизионных методов лабораторных испытаний резиновых и резинокордных образцов. Эти методы необходимы для решения двух основных задач: 1) получения адекватных математических выражений для описания нелинейных свойств резины, которые позволяли бы достаточно надёжно описывать НДС в деталях шины и прогнозировать их поведение в эксплуатации на стадии её разработки; 2) совершенствования методов экспериментальной лабораторной оценки физико-механических и эксплуатационных свойств композитов для отработки рецептуры и технологии изготовления резин, обладающих оптимальным комплексом свойств в условиях, приближенных к эксплуатационным.
Исходя из изложенного, основными задачами диссертационной работы являются:
разработка расчетно-экспериментального метода описания нелинейных упругих свойств наполненных резин в сложном НДС
разработка метода воспроизведения на стандартных разрывных машинах сложного НДС, реализующегося в деталях шины
разработка метода расчета упругих свойств однослойных РКК в нелинейной постановке
1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ УПРУГИХ СВОЙСТВ РЕЗИН И РЕЗИНОКОРДНЫХ КОМПОЗИТОВ в СЛОЖНОМ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
В большинстве работ, посвященных анализу НДС в шине, используется закон Гука, как для нитей корда, так и для резины. Такой подход в свое время был оправдан, т.к. деформации скрещенных резинокордных слоев не слишком велики, что определяется высоким модулем корда при продольном удлинении [1, 2]. Кроме того, достаточно простые модели шины не претендовали на высокую точность определения НДС.
Ситуация коренным образом изменилась в последние десятилетия с появлением высокопроизводительной и недорогой вычислительной техники и достаточно прецизионных расчетных схем - многослойные анизотропные оболочки и метод конечных элементов (МКЭ) [3]. Теперь узким местом становятся методы описания существенно нелинейных свойств резин [4, 5]. В самом деле, из опытов по одноосному удлинению серийных протекторных или брекерных резин следует [см., напр., 6], что истинный (дифференциальный) модуль меняется в 3-г5 раз на интервале деформации от 0 до 20% (рис. 1.1) (именно в этом интервале, в основном, «живет» шина). Те же результаты получены и для комплексного модуля G (рис. 1.2, 1.3) [7, 8, 9].
Наполненная резина, Напряжение
— Ненаполненная, Напряжение
Наполненная, Модуль
- Ненаполненная, Модуль
Деформация, %
Рис. 1.1 Зависимости напряжения и модуля от величины одноосного растяжения для резин ненаполненных и наполненных активным наполнителем.
I5.0
I2.0
9.0
6.0
G', МРа
—!
Duradene 715 10 Hz, 70С
_ W234 _ о О рЛг
10 *20
30 —
_»б0 _
3.0
0.0
0.1
ее»
# * т І в
*
«
^9 в Д
9 А
t S 1
f s I s 1
DSA, %
Рис. 1.2 Зависимость G' от амплитуды деформации при 70С и частоте 10 Hz для резины на основе каучука SSBR с различным содержанием технического углерода марки N234.
60.0
G; МРа
Duradene 715 10Hz,0C
50.0
40.0
30.0
20.0
-—-
N234 о 0 phr
ф
і І І І І
J DSA, %
10.0
0.0
0.1
!
I I I |:| I I I I
Рис. 1.3 Зависимость G' от амплитуды деформации при 0С и частоте 10 Hz для резины на основе каучука SSBR с различным содержанием технического углерода марки N234.
Осознавая необходимость такого усовершенствования, ряд зарубежных фирм (в частности, Гудьир и Матадор) переходят к использованию методов описания резины, учитывающих ее нелинейность [10, 11], ограничиваясь одним из наиболее простых уравнений состояния -Муни-Ривлина, содержащим две константы.
Использование МКЭ для всей шины с целью определения наиболее опасных (напряженных) мест в ее конструкции с максимальной степенью детализации в настоящее время и в ближайшем будущем, видимо, не представляется возможным. Кроме того, даже допустив, что такие расчеты возможны, остается неясным, какое место в шине разрушится прежде всего. Ответ на этот вопрос был бы получен, если бы существовала теория усталостной выносливости (или усталостной прочности) резины и РКК.
Отсутствие указанной теории ставит на первое место экспериментальные методы исследования усталостных характеристик резин и РКК шины. Здесь также имеются свои проблемы. Одна из них состоит в том, что результаты стандартных лабораторных усталостных испытаний резиновых и резинокордных образцов [12] плохо коррелируют с поведением шины на стенде или в эксплуатации. Более того, ранжирование резин по их усталостной выносливости, полученное в стандартных испытаниях на многократное растяжение, часто не совпадает с ранжированием в готовом изделии [13]. Этому, в большой степени, способствует то обстоятельство, что в шине резина работает в условиях сложного НДС, достаточно далекого от условий одноосного нагружения.
Из сказанного вытекает, что следует разработать такие резинокордные образцы, при усталостном утомлении которых в резине между нитями корда и на границе «корд-резина» возникает НДС, близкое к тому, что реализуется в резинокордных деталях шины.
Наконец, актуальной является задача обеспечения достаточного приближения технологии изготовления шин к технологии изготовления лабораторных резинокордных образцов (в частности, режимов их вулканизации [14]), что существенно сказывается на различиях в свойствах резины в образце и в шине.
Все изложенное наглядно иллюстрирует необходимость взаимоувязывания на современном этапе (основной чертой которого является повышение требований к качеству шин с целью обеспечения их конкурентоспособности) методов нелинейной механики анизотропных эластомеров, технологии их изготовления и условий эксплуатации в реальном изделии. Только в этом случае можно будет говорить о
возможности прогнозирования работоспособности1 резинокордных деталей шины на стадии ее разработки.
Экспериментальные методы определения упругих свойств резин в сложном НДС
Попытки построения новых потенциалов предпринимаются и в настоящее время. В работе [57] на основе представлений о структуре резины получены выражения, которые автор сравнивает с некоторыми известными выражениями с использованием опубликованного в литературе эксперимента. В результате этого сравнения оказывается, что выражение для упругого потенциала, содержащее первые три члена ряда (1.20), лучше описывает эксперимент, чем то же выражение с добавлением следующего, четвертого члена. Такой результат свидетельствует об ошибках в способе аппроксимации с использованием метода наименьших квадратов, что не вызывает доверия к выводам работы.
В работах [58, 59, 60] для описания поведения резин в сложном НДС упругие потенциалы с двумя константами строятся на основе результатов испытаний при одноосном растяжении и простом сдвиге. Однако данный подход дает приемлемые результаты для ненаполненных резин в области средних деформаций.
В работах [61, 62] предложен метод получения потенциала для более широкой области деформаций. В предположении возможности описания кривой одноосного деформирования полиномом третьей степени автор пришел к потенциалу, изученному Исихарой (1.19) в 1951 г., а также к еще двум трехконстантным потенциалам из ряда (1.20). Основное утверждение автора состоит в том, что сложное НДС можно описывать на основе закона одноосного растяжения. Это заключение довольно спорное, т.к. при его выводе использованы неочевидные допущения, а экспериментальной проверки не проведено.
Особенности упругих свойств ненаполненных резин, сшитых в растянутом состоянии, обсуждены в работе [63].
Слабоструктурированный в недеформированном состоянии вулканизат растягивали при комнатной температуре, затем окончательно сшивали после релаксации в течение нескольких часов. В приготовленной таким образом резине возникала анизотропия свойств, однако, ее проявление можно было обнаружить экспериментально только начиная с деформаций 30%.
В работе [64] поставлена задача установления связи параметров трехпараметрического потенциала (1.19) с составом резины и структурой сетки. Теми же авторами предпринимаются попытки использовать тот же потенциал для описания вязкоупругих свойств резин [65]. Зависимость свойств от скорости растяжения заключена в константы потенциала. Приняв зависимость напряжения при одноосном растяжении от скорости растяжения в виде выражения с одним временем релаксации, вязкоупругую задачу свели к пяти-константному уравнению. Значения констант определяли методом наименьших квадратов, предварительно разлагая экспоненту в степенной ряд для перевода вязкости из показателя степени в множитель. Аппроксимировали всю кривую растяжения до разрыва. Привели значения констант для разных технических резин. Однако не приведены величины отклонения расчета от эксперимента в разных диапазонах деформаций и скоростей деформирования. Также хотелось бы понять, почему выбранный вид упругого потенциала лучше многих других, о которых шла речь выше.
Укажем на еще одну работу по изучению свойств резин в условиях сложного НДС [6]. Автор опирается на результаты эксперимента, из которых следует существенная нелинейность наполненных резин в области малых деформаций. Построение инвариантного выражения для описания свойств в сложном НДС основывается на экспериментах по одноосному удлинению и сжатию. Кроме указанных, используются эксперименты по раздуванию круговой мембраны и закручиванию цилиндра при отсутствии осевой нагрузки. Однако два последних эксперимента используются не для подбора констант потенциала, а для проверки работоспособности полученных выражений. Для равновесного случая получено, что хорошее описание свойств резин, не содержащих активный наполнитель, обеспечивается неогуковым потенциалом. При переходе к наполненным резинам вводится параметр, представляющий собой отношение числа разрушенных техуглеродкаучуковых связей к их общему числу. Далее автор рассматривает случай вязкоупругого поведения материала, записывая уравнения эволюции. Использован интегральный оператор наследственной теории с семью константами. На представленных графиках демонстрируется достаточно хорошее совпадение теории и эксперимента, который включал циклические деформации, релаксацию напряжения и размеров. Правда, не приведены результаты для потенциалов других видов, поэтому трудно судить об оптимальности использованных выражений.
Безусловно, все перечисленные потенциалы хорошо себя зарекомендовали для тех материалов и тех условий нагружения, которые интересовали их авторов. Все авторы стремились к наилучшему совпадению с экспериментом во всей области достижимых деформаций. Это оправдано желанием достичь определенной общности результатов, однако, как было указано выше, реальный диапазон деформаций, в котором работают детали РТИ и шин, не превышает 20% и только в критических случаях достигает 50% (например, при наезде шины на препятствие). Нам не удалось найти работ, где совпадение теории и эксперимента исследовалось бы в указанной области (за исключением работы [6], в которой мы не нашли сравнительного анализа разных потенциалов). Наличие весьма существенной нелинейности в этом диапазоне, связанной с тем, что все технические резины наполнены активным наполнителем, обостряет проблему адекватного описания свойств резин при малых деформациях. Даже небольшие погрешности в величине зависящего от деформации модуля могут привести к существенным ошибкам в прогнозе тепловыделения при работе в режиме усталостного утомления и числа циклов до разрушения. Решению задачи построения упругого потенциала технических резин в области малых и средних деформаций посвящен раздел 2.1.
Сложное НДС как суперпозиция чистого и простого сдвигов. Главные деформации
Хорошим примером использования в методе конечных элементов нелинейных свойств резины служит работа [98]. При расчете жесткостных характеристик, напряженного состояния и полей температур резинокордных оболочек высокоэластичных муфт была использована матрица упругости материала, зависящая от достигнутого уровня деформаций конечного элемента. Автор использовал пяти-константную модель для описания этой нелинейности. Для описания свойств резины в сложном НДС на основе результатов испытаний при одноосном растяжении был применен следующий прием: в полученном уравнении для одноосного растяжения относительное удлинение заменялось на величину интенсивности деформации. Заметим, что такой способ описания сложного НДС не является строгим, т.к. величина интенсивности деформации не является инвариантом тензора деформации, что приводит к зависимости свойств от того, как расположена лабораторная система координат. Несмотря на это, получено хорошее согласие расчета и эксперимента не только для упругой, но и для термоупругой задачи.
Комплексная нелинейная вязкоупругая задача деформирования резинового амортизатора, армированного двумя семействами разнонаправленных малорастяжимых нитей, решена в работе [99]. Нелинейные упругие свойства описаны двухпараметрическим степенным потенциалом. В качестве ядра релаксации выбрано ядро Колтунова-Ржаницина. Задача решается численно методом сведения нелинейной краевой задачи к системе алгебраических уравнений в сочетании с приемом деления промежутка интегрирования пополам. В результате решения получены все характеристики амортизатора и их зависимости от расположения армирующих нитей и от упругих и релаксационных параметров резины. Данная работа, по нашему мнению, является уникальной с точки зрения объединения в одном исследовании всех особенностей нелинейного вязкоупругого поведения реального изделия. В близком ключе выполнена работа [92]. Разработанный пакет программ, основанный на использовании МКЭ, позволяет рассчитывать НДС и температурное состояние РТИ, прогнозировать долговечность. К классу решаемых задач относятся: задачи линейной и нелинейной упругости; вязкоупругости; тепловые задачи, включая саморазогрев; контактные задачи с различными условиями трения; задачи усадки и набухания; оценка времени до разрушения. Необходимые параметры моделей определяются встроенными процедурами обработки эксперимента по растяжению лопаток и сжатию цилиндров, кривых релаксации и ползучести, длительной прочности, выносливости стандартных гантелей. Особое внимание уделяется нелинейности (амплитудной зависимости) динамического модуля и подсчету энергии саморазогрева. Работа доведена до коммерческого использования и успешно применяется. В этой связи отметим цикл исследований [100, 101, 102, 103], на результаты которых опирались авторы [92]. Следует, однако, подчеркнуть, что долговечность корректнее определять не по показателю усталостной выносливости резиновых гантелей, а по аналогичному показателю образцов с учетом реального НДС, в котором работает данное РТИ.
Анализ численного геометрически нелинейного решения оболочечной резинокордной пневматической конструкции проведен в работе [104]. Рассмотрены напряжения двухслойной резинокордной торообразной оболочки в геометрически линейной и нелинейной постановках. Использован вариант метода конечных элементов, описанный в [105]. Оболочка имеет характеристики, близкие к шинным материалам и нагружается внутренним давлением. Расчеты показали, что различия между решениями линейной и нелинейной задач существенны для сдвиговых напряжений. В работе [106] исследуются жесткостные свойства резинометаллокордных композитов с применением метода Халпин-Цая и метода Муара. Изучены образцы с различным соотношением длины и ширины. Установлено, что более эффективным является метод Муара. Для расчета по методу Халпин-Цая требуется знать коэффициент Пуассона и модули сдвига корда, однако не приводится метода для достаточно точного их определения. Кроме того, уравнения Халпин-Цая разработаны для композитов с линейными свойствами. Метод Муара основан на увеличении точности измерения удлинения образца при растяжении (особенно это важно при малых деформациях), однако воспроизведение этого метода достаточно трудоемко.
К настоящему времени разработан целый ряд стандартизованных и не стандартизованных методов определения показателей физико-механических свойств резин, которые используют для оценки эксплуатационного качества резинотехнических изделий и шин [12, 107, 108,109,110,111,112,113].
По своему назначению методы механических испытаний авторы работы [12] предлагают разделить на три группы: общие (физические), специальные, контрольные.
Экспериментально-расчетный метод определения плотности энергии деформации резины в зависимости от инвариантов тензора деформации
Общее замечание ко всей таблице следующее. В графе «число шагов счета» стоят существенно различающиеся числа. Здесь дело в том, что для разных вариантов использовался разный алгоритм. Малое число шагов соответствует «овражному» варианту. Результаты показывают, что оба варианта работают, но с разной скоростью сходимости. Пример - позиции 11 и 12; 28 и 29.
Видно, что из однопараметрических потенциалов лучше работает потенциал Хазановича. Такой же вывод был сделан по результатам аппроксимации одноосного растяжения, но там дисперсия была в три раза больше. Можно сказать, что однопараметрические потенциалы лучше работают во всей области деформирования, чем при одноосном растяжении.
Двухпараметрический потенциал Муни-Ривлина совсем ненамного лучше однопараметрического Хазановича. Здесь ситуация, похожая на ту, что наблюдалась для ненаполненных резин [41], где был сделан вывод о предпочтении потенциала Хазановича неогуковскому.
Трехпараметрические потенциалы, как и по результатам обработки одноосного растяжения, существенно различаются по точности описания эксперимента. Потенциал Исихары практически не лучше Муни-Ривлина. Причем его константы и точность аппроксимации не зависят ни от точности задания шага поиска (графа «точность определения констант»), ни от исходных значений констант. Среднеквадратическое отклонение порядка 28% слишком велико.
О потенциале, являющемся суммой потенциала Муни-Ривлина и Хазановича, можно сказать те же слова.
Потенциал Черных относится к той же категории, но здесь налицо существенное влияние начального приближения на конечные значения констант, хотя точность на это реагирует слабо, оставаясь в пределах тех же 27% среднеквадратического отклонения. Из известных четырехпараметрических потенциалы Александера и Бидермана по дисперсии заметно лучше потенциала Огдена. Обращает на себя внимание одинаковая точность потенциала Огдена и большинства описанных выше трехпараметрических потенциалов.
Одним из лучших четырехпараметрических был потенциал Харт-Смита (S = 16.6%). Кроме того, этот потенциал вполне можно перевести в разряд двухпараметрических, т.к. его третий параметр, являющийся множителем перед слагаемым со вторым инвариантом тензора деформации, во всех случаях близок к нулю. Вторым выделившимся стал потенциал Блатца, Шарды, Чоэгла, для которого S = 11%.
Прежде чем перейти к анализу предложенных нами выражений, обратим внимание на следующее. Потенциалы (2.1.12) содержат три параметра. Однако из них можно сделать четырехпараметрические, рассматривая в качестве четвертого параметра показатель п инварианта (2.1.10). Из содержания таблицы 2.2 понятно, когда рассматриваются 3, а когда 4 параметра. В случае трех параметров в скобках добавлено число, указывающее значение четвертого параметра п.
Для этих (2.1.12) потенциалов налицо существенное (в 4 раза и более) уменьшение дисперсии в оптимальных вариантах по сравнению с потенциалами Александера и Бидермана. Среднеквадратическое отклонение расчета от эксперимента S для них составляет 11%, т.е. такое же, как и для потенциала Блатца.
Итак, из известных ранее потенциалов для описания свойств наполненных шинных резин в области малых и средних деформаций в условиях сложного НДС хорошо себя проявили два выражения - Харт-Смита (3 параметра) и Блатца, Шарды, Чоэгла (4 параметра). Второй из них также хорошо сработал и в случае одноосного растяжения. Все из предложенных нами выражений показали хорошие результаты в этих двух случаях.
На примере логарифмического 1 видно, что для значения n = 6 точность описания эксперимента существенно зависит от точности определения констант (позиции 27-29).
Интересен следующий результат. Для всех четырех потенциалов оптимальное значение степени инварианта п близко к 1.5. (Лишь для логарифмического 1 оно составляет 1.7). Можно сделать практический вывод о том, что достаточно использовать потенциалы с тремя параметрами, задав четвертый равным полтора.
На примере экспоненциального потенциала (позиции 43-44 и 46-47) видно, что и здесь точность определения констант существенно влияет на точность результата. Вполне достаточной является величина 10"6.
Важная роль константы, ответственной за скорость изменения модуля в области малых деформаций, демонстрируется на примере усеченного логарифмического потенциала (выражение (2.1.5)), лишенного этой константы (позиции 24 - 26) Хотя этот потенциал и ведет себя лучше многих известных ранее, даже четырехпараметрических, он заметно хуже, чем потенциалы (2.1.12). Попутно отметим, что разные начальные приближения дают один и тот же результат.
Теперь попробуем ответить на вопрос: а можно ли строить упругий потенциал только по данным одноосного растяжения? Насколько мы ошибемся, если будем этот потенциал использовать для описания произвольного сложного НДС?
Алгоритм решения задачи растяжения резинокордного композита с учетом реальных нелинейных свойств резины
В предыдущей главе (раздел 2.2) рассмотрены вопросы моделирования произвольного сложного НДС с использованием двух видов деформирования - простого сдвига и чистого сдвига. Такое сочетание выбрано не случайно - именно так проще всего представить деформацию резины между нитями корда в резинокордном слое. Действительно, нити корда, особенно металлического, имеют гораздо более высокую жесткость при растяжении, чем резина. Экспериментальными исследованиями [3] установлено, что при нагружении тороидальной оболочки (шины) внутренним давлением, осевой и боковой нагрузкой, тормозным или ускоряющим моментом, и т.д., резина каркаса или брекера имеет максимальные сдвиговые деформации до ±30% и максимальные нормальные деформации до +15%. Корд же растягивается не более чем на 5%, при этом большая часть этой величины является статической составляющей, обусловленной внутренним давлением в шине. Амплитуда динамической составляющей не превышает 1-3 %. Таким образом, в первом приближении представляется допустимым (особенно для металлокордных систем) пренебрежение растяжимостью корда.
Для моделирования в лабораторных условиях напряжений и деформаций, возникающих на границе «корд-резина» и в резине между нитями корда, предложен для проведения статических (упруго-прочностных), динамических (циклических упруго-гистерезисных) и усталостных испытаний вид образца, представляющий собой прямоугольный фрагмент резинокордного полотна, названный образцом с «косой нитью» (ОКН). Название связано с тем, что угол ориентации нити корда к оси растяжения образца может меняться, обеспечивая разные сочетания нормальных и касательных деформаций (напряжений) на границе корд-резина.
Является ли однородным НДС резины между нитями корда, чтобы оправдать применимость предложенных в предыдущей главе расчетных методов? Ответ на этот вопрос дается на основе прецизионных экспериментов. Вместе с тем следует подчеркнуть, что результаты усталостных испытаний ОКН не будут связаны с наличием или отсутствием рассматриваемой однородности. Образцы заготавливаются из того же самого резинокордного полотна, из которого делают шину, поэтому имеющиеся неоднородности в шине будут повторяться в образцах.
Результатом исследований, обобщенных в данной главе, является обоснование использования образцов типа ОКН для воспроизведения реальных условий нагружения, а также разработка пакета программ для описания упругих свойств резинокордного слоя.
Анализ литературы, приведенный в главе 1, позволил заключить, что для решения практических задач следует искать компромисс - создавать образцы для лабораторных испытаний резинокордных композитов, в 4 В данной работе усталостные испытания не рассматриваются. Указанное утверждение приведено лишь для уточнения всех возможностей ОКН. которых, с одной стороны, реализуется НДС, близкое к реальной ситуации в шине, а с другой стороны - допускающие достаточно строгое применение расчетно-экспериментальных методов для задания нужного НДС и адекватной обработки результатов испытаний. В конечном итоге идеальной представляется такая ситуация, когда результаты простых лабораторных испытаний специальных резинокордных образцов позволяют с высокой степенью достоверности прогнозировать поведение в эксплуатации резинокордных деталей конкретной шины в конкретных условиях. Для решения этой задачи - максимум необходимо использовать такой резинокордный образец, который удовлетворял бы следующим условиям: 1. Конструкция образца должна быть по возможности приближена к конструкции деталей брекера и каркаса шин. 2. Условия нагружения образца должны отражать условия нагружения брекера и каркаса шин. 3. На одном типе образца требуется определять равновесные, динамические и предельные характеристики. 4. НДС образца должно быть достаточно однородным для обеспечения возможности пересчета характеристик образца на характеристики резинокордных деталей шины. 5. Конструкция образца должна обеспечивать высокую точность задания параметров нагружения и определения результатов испытаний. 6. Образец должен быть прост в изготовлении. 7. Должна иметься возможность заготовки того же типа образца из шин. 8. Должна быть предусмотрена возможность одновременной установки на машины для усталостных испытаний (УР-500, МРС-2, ММР и др.) большого числа образцов (до 20) с целью сокращения затрат и уменьшения времени на проведение усталостных испытаний. 9. Образец не должен быть массивным для обеспечения высокой однородности вулканизационной сетки.
Всем указанным требованиям в большой степени удовлетворяет резинокордный образец, представляющий прямоугольный фрагмент резинокордного слоя. Его конструкция отражает конструкцию РКК в шине, т.к. образец заготавливается из того же резинокордного полотна, которое используется в производстве исследуемой шины. Он прост в изготовлении и, как мы увидим ниже, позволяет с высокой степенью точности воспроизводить то НДС, которое возникает в шине при ее эксплуатации. Один и тот же образец может быть использован в статических, динамических и усталостных испытаниях. Он имеет небольшую толщину, что позволяет гарантировать однородность степени вулканизации по всему массиву образца и использовать специальные вулканизационные прессы с переменной температурой вулканизации. Кроме воспроизведения НДС резины между нитями корда и нормальных и касательных напряжений на границе «корд-резина», образец своей боковой поверхностью имитирует кромку брекера шины, которая является одним из наиболее уязвимых мест шины с точки зрения возникновения очага усталостного разрушения.
