不同負(fù)荷下錦綸簾線失效行為試驗(yàn)與仿真研究

羅 行，吳 健，陳 達(dá)，粟本龍，王友善，李 哲

[哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 橡膠復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，山東 威海 264209]

錦綸簾線與橡膠復(fù)合使用可在保證橡膠高彈性的同時，極大地提高復(fù)合材料的性能，已被廣泛應(yīng)用于航天、航空和輪胎制造等領(lǐng)域[1]。橡膠簾線復(fù)合材料制品在各種復(fù)雜工況下往往承受多種非線性負(fù)荷，導(dǎo)致材料性能下降，嚴(yán)重時會發(fā)生斷裂失效，直接影響制品安全性。

鐘紹明等[2]從分子結(jié)構(gòu)層面研究了錦綸與聚丙烯共混物的極限失效強(qiáng)度。R.D.Averett等[3-4]研究了錦綸66纖維在單調(diào)和循環(huán)載荷下的力學(xué)行為。A.Vahidifar等[5]研究表明，錦綸纖維用作橡膠簾線時施加循環(huán)負(fù)荷引起的材料軟化可能取決于所施加的最大負(fù)荷。同時，簾線對于橡膠復(fù)合材料的界面力學(xué)性能也具有重要影響[6-11]。A.Lechtenboehmer等[12]研究了錦綸纖維與橡膠的界面力學(xué)性能及標(biāo)準(zhǔn)。此外，錦綸簾線具有很大的優(yōu)勢，饒盛[13]研究了錦綸-芳綸復(fù)合簾線在航空輪胎中的應(yīng)用，它是航空輪胎的理想骨架材料。錦綸纖維對沖擊也有較好改善，R.J.M.Borggreve等[14]研究了改性錦綸/橡膠復(fù)合材料的抗沖擊特性。黃小雙等[15]提出了一種考慮應(yīng)變率效應(yīng)的簾線/橡膠復(fù)合材料各向異性粘-超彈性本構(gòu)模型，基于此研究了不同加載和變形條件下的力學(xué)行為。邢春鵬等[16]建立了簾線/橡膠復(fù)合材料的本構(gòu)關(guān)系，對緩沖器的力學(xué)性能進(jìn)行了分析。任杰等[17]提出了一種基于纖維簾線/橡膠復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)的精確建模方法，對適應(yīng)性橡膠底座受壓膨脹過程進(jìn)行了數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究。張豐發(fā)等[18]提出了一個新的簾線/橡膠復(fù)合材料的拉伸斷裂失效準(zhǔn)則。張淑芳等[19]研究了三元乙丙橡膠增韌錦綸等幾種復(fù)合材料的斷裂行為。劉健等[20-21]使用rebar單元模擬簾線層建立了橡膠簾線制品的有限元模型。綜上所述，錦綸簾線的結(jié)構(gòu)和失效行為對簾線/橡膠復(fù)合材料等制品的力學(xué)性能具有重要影響，簾線的失效行為研究對高性能復(fù)合材料制品的研制具有重要意義。

本工作研究錦綸簾線在不同負(fù)荷情況下的幾何特征變化規(guī)律，并結(jié)合簾線的拉伸試驗(yàn)，建立應(yīng)力應(yīng)變與幾何特征的關(guān)系，采用數(shù)碼顯微鏡分析不同工況下錦綸簾線的斷裂形貌，揭示其斷裂失效的影響因素，為簾線增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料制備與性能分析奠定基礎(chǔ)。

1 簾線拉伸試驗(yàn)

按照GB/T 32108—2015《浸膠線繩、紗線和簾線拉伸性能的試驗(yàn)方法》進(jìn)行1400dtex/2錦綸66簾線拉伸試驗(yàn)。采用砝碼進(jìn)行負(fù)荷加載，根據(jù)錦綸簾線拉伸斷裂所能承受的最大拉力以及所持有的砝碼規(guī)格擬定0，2，5和7 kg四種負(fù)荷進(jìn)行錦綸簾線的幾何特征分析。采用B011型數(shù)碼顯微鏡記錄加載狀態(tài)下的錦綸簾線，測量其各參數(shù)的變化情況，選擇簾線各段多次測量，結(jié)果取平均值，記錄數(shù)據(jù)并分析。

2 簾線有限元仿真

2.1 本構(gòu)模型

經(jīng)多次拉斷試驗(yàn)得到的錦綸簾線拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 錦綸簾線拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

從圖1可以看出，錦綸簾線拉伸曲線具有典型的非線性特征。基于此，建立錦綸簾線的Yeoh超彈性本構(gòu)模型。

2.2 有限元模型

將結(jié)構(gòu)為雙股加捻的錦綸簾線作為最基本簾線單元，采用Abaqus軟件建立了錦綸簾線結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖2所示。

圖2 雙股加捻錦綸簾線有限元模型

由于錦綸與錦綸的靜摩擦因數(shù)介于0.15～0.25之間，可建立兩股錦綸簾線束表面間的接觸關(guān)系，摩擦因數(shù)取0.2。錦綸簾線網(wǎng)格采用C3D10H，共4 270個單元。簾線兩端施加約束，一端施加固定邊界條件，另一端分別施加2，5和7 kg的負(fù)荷。

3 結(jié)果與討論

3.1 幾何特征

自然狀態(tài)下錦綸簾線數(shù)碼顯微照片如圖3所示，L為捻距，d為捻徑，θ為捻角。不同負(fù)荷情況下錦綸簾線的幾何特征參數(shù)如表1所示。

圖3 錦綸簾線的數(shù)碼顯微照片

表1 不同負(fù)荷情況下錦綸簾線的幾何特征參數(shù)

從表1可以看出：隨著負(fù)荷的增大，錦綸簾線的捻距增大，捻徑減小，捻角也相應(yīng)減小；錦綸簾線各相關(guān)參數(shù)變化呈非線性；仿真值與試驗(yàn)結(jié)果吻合，說明仿真模型是準(zhǔn)確的。

基于仿真模型預(yù)測的錦綸簾線有限元應(yīng)力云圖如圖4所示。

從圖4可以看出，最大應(yīng)力位于兩股錦綸簾線束相接觸處，且簾線在負(fù)荷狀態(tài)下伸長，各相關(guān)參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化。

圖4 錦綸簾線有限元應(yīng)力云圖

3.2 斷口形態(tài)

不同拉伸速率下的錦綸簾線斷口形態(tài)如圖5所示。

從圖5可以看出，拉伸速率增大，錦綸簾線單股分離更明顯，斷口更齊整，溫度高時斷口更散。簾線斷裂處基本上呈絨毛狀斷口，且加捻的兩股單線被分開，靠近斷口分岔處捻度急劇增大。這是因?yàn)閮晒蓡尉€受力不均，其中的一股受力更大使伸長率增大，另一股被拉斷后略有回彈纏繞其上使捻度增大。同時，錦綸簾線的拉伸強(qiáng)度隨拉伸速率的增大和環(huán)境溫度的不同有所變化，其力學(xué)性能的差異明顯表現(xiàn)在斷口形態(tài)上。

圖5 不同拉伸速率下的錦綸簾線斷口形態(tài)

4 結(jié)論

分析了錦綸簾線在不同負(fù)荷狀態(tài)下的拉伸特性，并建立了其有限元仿真模型。通過試驗(yàn)和仿真得到以下結(jié)論。

（1）隨著負(fù)荷的增大，錦綸簾線的捻距增大，捻徑減小，捻角也相應(yīng)減?。诲\綸簾線各相關(guān)參數(shù)變化呈非線性，仿真值與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

（2）錦綸簾線斷裂處呈絨毛狀斷口，主要是因?yàn)閿嗔褧r兩股單線受力不均，拉伸速率和環(huán)境溫度對其斷口形態(tài)具有顯著影響。