丁腈橡膠膠管內(nèi)膠熱油老化前后扣壓性能的仿真

尤黎明,鄧 濤

(青島科技大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島266042)

液壓膠管作為工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的血脈,主要用于輸送液壓油,能吸收液壓沖擊,具有良好的耐屈撓和耐疲勞性能,同時(shí)在液壓系統(tǒng)中膠管要承受頻繁的脈沖壓力變化[1]。在使用過(guò)程中,經(jīng)常出現(xiàn)膠管與接頭結(jié)合不嚴(yán),拔脫等失效形式,引起液壓系統(tǒng)故障,甚至發(fā)生人身傷亡的惡性事故[2]。因此次膠管扣壓過(guò)程中內(nèi)膠受力問(wèn)題引起廣大關(guān)注,例如:局部受力過(guò)大造成破損,內(nèi)膠承壓不足、壓力變形下應(yīng)力減小會(huì)造成膠管拔脫以致液壓油泄露,因此能夠了解膠管扣壓過(guò)程中內(nèi)膠性能變化顯得格外重要。

前人對(duì)液壓膠管研究主要有:王寶星等[3]對(duì)扁平鋼絲增強(qiáng)液壓膠管的性能進(jìn)行了研究;楊忠炯等[4]研究了強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境對(duì)液壓膠管壽命的影響;李再有[5]研究了礦用設(shè)備液壓膠管總成損壞原因分析及對(duì)策;梁建和[6]對(duì)液壓膠管常見(jiàn)故障及原因進(jìn)行了研究;張一川等[7]研究了制動(dòng)膠管編織骨架層正交各向異性力學(xué)性能與管體扭轉(zhuǎn)變形仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證;前人主要對(duì)膠管破壞原因進(jìn)行總結(jié)分析及膠管骨架層進(jìn)行相關(guān)研究,而熱油老化前后對(duì)膠管扣壓處受力狀態(tài)的影響鮮有研究。本工作應(yīng)用大型非線性有限元法軟件Abaqus模擬仿真了NBR膠管內(nèi)膠老化前后實(shí)際扣壓過(guò)程,了解該過(guò)程內(nèi)膠扣壓應(yīng)力狀態(tài)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料與設(shè)備

NBR(3370),南帝化工公司;炭黑(550),卡博特公司。其它原料為市售。

開(kāi)放式煉膠機(jī),X(S)K-160型,上海雙翼橡塑機(jī)械有限公司;無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀,GT-M2000-A型,臺(tái)灣高鐵有限公司;平板硫化機(jī),HS 1007-RTMO型,深圳佳鑫電子設(shè)備科技有限公司;電子拉力機(jī),I-7000S型,臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司;老化實(shí)驗(yàn)箱,GT-7 O17-M型,臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司。

1.2 混煉膠及硫化膠樣片制備過(guò)程

實(shí)驗(yàn)配方:NBR 100,硫黃2.5,促進(jìn)劑2.5,Zn O 5,硬脂酸2,炭黑550 60,炭黑660 30,白炭黑15,鄰苯二甲酸二丁酯15,固體防老劑BLE 2,黏合劑,均為質(zhì)量份,實(shí)驗(yàn)配方為某公司實(shí)際生產(chǎn)配方。

硫化膠制備:將下好片的混煉膠稱(chēng)重70 g,按硫化特性數(shù)據(jù)t90＋2 min放入平板硫化,制得樣片,冷卻,裁片;將試樣分為兩部分,一部分使用于常溫拉伸實(shí)驗(yàn),其他放入100℃熱油(液壓油)中老化1 d,以備實(shí)驗(yàn)使用。

1.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線獲取

應(yīng)用1.2節(jié)中未老化及熱油老化后得到的試樣,通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得應(yīng)力-應(yīng)變曲線,以備計(jì)算分析過(guò)程中使用。

2 仿真計(jì)算分析過(guò)程

2.1 構(gòu)建模型

膠管扣壓模型參數(shù):扣芯與扣頭是由金屬制作,扣芯外徑25.5 mm,扣頭內(nèi)徑36.5 mm,膠管厚5.3 mm,鋼絲層2層,每層0.3 mm,鋼絲纏繞膠管鋼絲骨架層緊密排布,鋼絲層以嵌入方式置于膠管中,扣頭、扣芯、膠管均采用軸對(duì)稱(chēng)圖形繪制。模型圖如1所示。

圖1 扣壓仿真模型Fig.1 Si mulation model of buckling

2.2 定義材料屬性

扣頭與扣芯為金屬,相對(duì)于膠管,扣壓過(guò)程中變形量很小,扣頭與扣芯均為不變形的離散剛體。膠管基體膠為NBR,屬于高彈性體,材料屬性中選取力學(xué)材料行為,各項(xiàng)同性材料,選取Yeoh模型,將NBR硫化膠單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線導(dǎo)入Abaqus軟件中,然后擬合出系數(shù)C10、C20和C30,老化前C10、C20和C30分別為2.487 3、0.137 7和－0.008 2,老化后C10、C20和C30分別為3.285 7、0.294 4和－0.031 4。

橡膠材料的本構(gòu)模型介紹:與金屬相比,橡膠材料最典型,其主要特點(diǎn)有不可壓縮性、大變形特點(diǎn)、非線性[8]。通過(guò)炭黑補(bǔ)強(qiáng)的橡膠本構(gòu)關(guān)系非常復(fù)雜,很難找到規(guī)律的方程來(lái)表達(dá)其力學(xué)行為,目前常用于表征橡膠材料的本構(gòu)模型主要是基于熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)方法和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論提出的[9-10];在Yeoh模型中,橡膠材料的本構(gòu)關(guān)系用應(yīng)變能函數(shù)分別表示為

式(1)中:W為應(yīng)變能函數(shù);I1、I2、I3為變形張量的3個(gè)不變量;C10、C20、C30為模型常數(shù)。Yeoh公式(1)三次函數(shù)可以預(yù)測(cè)其他所需數(shù)據(jù)。

2.3 定義邊界條件及劃分網(wǎng)格

扣芯部分是完全固定的,限制所有自由度,扣頭部分是徑向位移(扣壓量)1.45 mm(軸對(duì)稱(chēng)圖形建模時(shí)顯示一個(gè)面,故也稱(chēng)作垂直位移1.45 mm),限制其他自由度,鋼絲層內(nèi)置于膠管內(nèi)部,與膠管同時(shí)受力彎曲變形,橡膠層采用以四邊形為主的雜交網(wǎng)格,自由技術(shù)進(jìn)階算法。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)與普及給人們的生產(chǎn)與生活帶來(lái)了極大的便利，但因網(wǎng)絡(luò)所具備的強(qiáng)開(kāi)放性，致使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)面臨著巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)不但會(huì)帶來(lái)一定經(jīng)濟(jì)損失，而且還會(huì)引起信息污染、網(wǎng)絡(luò)破壞等嚴(yán)重后果。防火墻技術(shù)是保護(hù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全的重要技術(shù)，其更新速度較快，可完全適用于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的安全需求，并具強(qiáng)可靠性，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全的保護(hù)當(dāng)中。

2.4 定義分析步及輸出變量

定義2個(gè)分析步,用于施加位移;定義Force、Mises、SED等輸出變量。SED:單位體積應(yīng)變能稱(chēng)為應(yīng)變能密度,與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān);Mises應(yīng)力:基于剪切應(yīng)變能的一種等效應(yīng)力,單位MPa;靜剛度:指材料或結(jié)構(gòu)受力時(shí)抵抗形變的能力。SED與Mises應(yīng)力均可表征材料容易破壞的程度,SED與Mises值越大,材料更容易發(fā)生破壞。

2.5 提交作業(yè)

將以上設(shè)計(jì)好的模型、邊界條件、分析步等作業(yè)提交予Abaqus計(jì)算分析。

2.6 后處理

打開(kāi)分析完成后得到的云圖,分別提取Force(作用力)、位移、垂直路徑(圖2(a))與水平路徑(圖2(b))的Mises應(yīng)力及SED,應(yīng)力集中單元SED(圖2(c))等相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2 應(yīng)力集中節(jié)點(diǎn)Fig.2 Stress concentration node

3 結(jié)果與分析

3.1 NBR硫化特性數(shù)據(jù)

硫化溫度150℃,硫化時(shí)間40 min,得到NBR力學(xué)特性數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1看出,NBR硫化過(guò)程中焦燒時(shí)間較長(zhǎng),硫化速度較慢。

表1 丁腈橡膠硫化特性數(shù)據(jù)Table 1 Vulcanization characteristic data of NBR

3.2 NBR硫化膠應(yīng)力-應(yīng)變曲線及仿真應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系對(duì)比

丁腈橡膠熱油老化前及老化后應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)曲線及通過(guò)Abaqus仿真所得應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖3。

圖3 NBR老化前后應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of NBR bef ore and after aging and its fitting

由圖3看出,NBR硫化膠單軸拉伸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,硫化膠老化后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體高于老化前的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,最大應(yīng)力(拉斷強(qiáng)度)基本不變,最大應(yīng)變(拉斷伸長(zhǎng)率)降低,50%和100%定伸應(yīng)力均增大,分析認(rèn)為:NBR硫化膠內(nèi)殘留的硫化劑在老化過(guò)程中繼續(xù)反應(yīng),交聯(lián)密度增大,分子網(wǎng)絡(luò)更加緊密,定伸應(yīng)力增大;另一方面原因可能是油溶劑中殘留微量氧氣,老化過(guò)程中與硫化膠發(fā)生老化反應(yīng),交聯(lián)密度增大;綜合以上分析認(rèn)為:在熱油老化1 d的過(guò)程中,主要以NBR硫化膠繼續(xù)交聯(lián)為主,存在較少熱氧老化反應(yīng),兩種化學(xué)反應(yīng)均使交聯(lián)密度增大,定伸應(yīng)力增大,最大應(yīng)變降低。

由圖3可知:該硫化膠實(shí)際拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線與其仿真后應(yīng)力-應(yīng)變曲線重合度較高,因此在計(jì)算分析中得到的數(shù)據(jù)具有一定的可靠性。

此外,計(jì)算過(guò)程中,Abaqus/Standar d均是應(yīng)用Newton-Raphson運(yùn)算方法,逐步增進(jìn)特定載荷求解的結(jié)果,即將模擬劃分成許多的載荷增量步,并在每個(gè)載荷增量步結(jié)束時(shí)尋求近似的平衡構(gòu)型;所用模型尺寸按照實(shí)際產(chǎn)品圖紙尺寸設(shè)計(jì),材料參數(shù)(橡膠應(yīng)力-應(yīng)變曲線及鋼絲層彎曲模量)均為實(shí)測(cè)參數(shù);扣壓量按照產(chǎn)品實(shí)際扣壓量設(shè)計(jì)。因此,對(duì)產(chǎn)品扣壓計(jì)算仿真結(jié)果具有一定的可靠性。

3.3 內(nèi)膠老化前后扣壓性能仿真

以下主要從扣壓過(guò)程中靜剛度、內(nèi)膠的Mises應(yīng)力及SED 3個(gè)角度進(jìn)行計(jì)算仿真與分析,以進(jìn)一步確定仿真膠管扣壓過(guò)程內(nèi)膠性能及變化。

圖4為內(nèi)膠老化前后靜剛度變化曲線。由圖4得知,在扣壓過(guò)程中,膠管靜剛度隨著垂直位移量的增加,其靜剛度先緩慢增大,當(dāng)位移達(dá)到1.3 mm后,靜剛度急劇增大。分析認(rèn)為:隨著垂直位移的增大,扣頭齒先與內(nèi)膠接觸,接觸面積緩慢增大,膠管變形量緩慢增大,靜剛度緩慢增大;當(dāng)垂直位移達(dá)到1.2 mm后,靜剛度出現(xiàn)增加變緩的現(xiàn)象,這可能是垂直位移小于1.2 mm時(shí),膠管垂直方向變形是主要原因;垂直位移達(dá)到1.3 mm后,由于膠管發(fā)生水平位移上的巨大形變,以及骨架鋼絲開(kāi)始承受該變形,靜剛度急劇上升;對(duì)比未熱油老化靜剛度大小可知,相同位移時(shí),膠管老化后靜剛度遠(yuǎn)大于老化前。

圖4 內(nèi)膠老化前后靜剛度變化曲線Fig.4 Change curve of static stiff ness before and after aging of inner r ubber

靜剛度的大小是影響扣壓緊密性的關(guān)鍵,靜剛度越大,扣壓緊密性越高,靜剛度越小,則扣壓緊密性越低,通過(guò)以上分析可知,膠管熱油老化后靜剛度增大,扣壓緊密性提高。

圖5為內(nèi)膠老化前后水平路徑上Mises應(yīng)力變化曲線。如圖5所示同一路徑,老化后節(jié)點(diǎn)處的Mises應(yīng)力大于老化前。19節(jié)點(diǎn)Mises處應(yīng)力最大,2、3節(jié)點(diǎn)處Mises應(yīng)力較大,其余節(jié)點(diǎn)Mises應(yīng)力變化不大,這主要是因?yàn)槟z管變形過(guò)程中,19節(jié)點(diǎn)位于扣芯壓槽尖銳位置,造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。Mises應(yīng)力大小可表示內(nèi)膠容易損壞的程度,受力越大,更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生破壞。由以上分析可知,在節(jié)點(diǎn)2、3、19處容易發(fā)生損壞,熱油老化后Mises應(yīng)力大于老化前,老化后內(nèi)膠更加容易損壞。

圖5 內(nèi)膠老化前后水平路徑上Mises應(yīng)力變化曲線Fig.5 Mises stress curves of horizontal path before and after aging of inner r ubber

圖6為內(nèi)膠老化前后水平路徑上SED變化曲線。由圖6看出,在節(jié)點(diǎn)3和19處SED呈現(xiàn)較大值。SED可表征材料在應(yīng)力作用下容易破壞的程度,通過(guò)計(jì)算分析可知,在節(jié)點(diǎn)3和19出SED密度較大,容易發(fā)生破壞。

圖6 內(nèi)膠老化前后水平路徑上SED變化曲線Fig.6 SED curve of horizontal pat h before and after aging of inner r ubber

SED與Mises應(yīng)力大小均可一定程度上反應(yīng)材料發(fā)生破壞的容易程度,但決定其值大小的主因素不同,在同一路徑下,變化趨勢(shì)不一定完全相同,實(shí)際情況應(yīng)根據(jù)具體問(wèn)題具體分析。

圖7為內(nèi)膠老化前后垂直路徑上Mises應(yīng)力變化曲線。由圖7看出,在垂直路徑上節(jié)點(diǎn)1～5 Mises應(yīng)力逐漸增大,這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)1～5距扣芯的距離逐漸減小,節(jié)點(diǎn)1～4 Mises應(yīng)力逐漸增大,節(jié)點(diǎn)5 Mises應(yīng)力急劇增大,這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)5處與扣芯尖銳處相接觸,導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象;垂直路徑相同節(jié)點(diǎn)處,老化后的Mises應(yīng)力均大于老化前。

圖7 內(nèi)膠老化前后垂直路徑上Mises應(yīng)力變化曲線Fig.7 Change cur ve of Mises stress in vertical pat hbef ore and after aging of inner rubber

圖8為內(nèi)膠老化前后垂直路徑上SED變化曲線。由圖8看出,在垂直路徑上節(jié)點(diǎn)1～5 SED依次增大,增大速度先快后慢,節(jié)點(diǎn)4～5 SED基本相等;相同路徑老化后SED大于老化前,且隨著節(jié)點(diǎn)與扣芯距離的減小,差值越大。

圖8 內(nèi)膠老化前后垂直路徑上SED變化曲線Fig.8 SED change cur ve of vertical pat h before and after aging of inner r ubber

圖9為內(nèi)膠老化前后應(yīng)力集中單元處SED變化曲線。由圖9看出,隨著垂直位移的增大,SED先是緩慢增大,當(dāng)垂直位移為0.6 mm時(shí),增大速度加快,當(dāng)垂直位移大于1.3 mm左右時(shí),SED急劇增加,主要原因是在扣壓過(guò)程中接觸面積先是緩慢增大,內(nèi)膠應(yīng)力集中單元形變?cè)龃缶徛?SED增大緩慢,當(dāng)垂直位移為0.6 mm時(shí),膠管發(fā)生局部變形,SED增大速度加快,當(dāng)垂直位移達(dá)到1.3 mm時(shí),膠管整體變形,應(yīng)力集中單元SED急劇增大;相同垂直位移下,老化后應(yīng)力集中單元處SED大于老化前,SED越大,更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致破壞。

圖9 內(nèi)膠老化前后應(yīng)力集中單元處SED變化曲線Fig.9 SED change cur ve of stress concentration unit bef ore and after aging of inner rubber

4 結(jié) 論

1)鋼絲層參數(shù)由實(shí)際膠管測(cè)得,仿真得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)得應(yīng)力-應(yīng)變曲線重合性較高,計(jì)算分析過(guò)程中有一定可靠性。

2)以丁腈橡膠為基體的膠管,扣壓過(guò)程中,其老化1 d后靜剛度大于老化前靜剛度,扣壓緊密性提高。

3)在水平和垂直路徑上,相同節(jié)點(diǎn)處,老化后Mises和SED(應(yīng)變能密度)大于老化前,老化后較老化前更容易破壞。

4)在應(yīng)力集中單元出處,隨著位移增大,變形越大,SED越大,且扣壓過(guò)程中老化后的SED大于老化前,更容易破壞。