模拟橡胶材料形变的方法技术

一种模拟橡胶材料形变的方法，所述橡胶材料包含由至少一种填料粒子制成的填料部分和围绕该填料部分的橡胶部分，所述方法包括下面的步骤：将橡胶材料分成一定数目的构成橡胶材料模型的基元；基于预设条件对橡胶材料模型进行形变计算；以及从形变计算中获取必要的数据；其中所述分离步骤包括如下步骤：将填料部分分离成一定数目个构成填料模型的基元；以及将橡胶部分分离成一定数目个位于填料模型周围的橡胶模型的基元，所述橡胶模型具有粘弹性随应变率变化的应变率相关性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种很精确，该橡胶材料含有由至少一种填料粒子制成的填料部分；以及由橡胶制成并围绕着该填料部分的橡胶部分。
技术介绍
橡胶材料被广泛应用于轮胎和体育用品等工业制品。为减少实验生产的的故障和成本，运用计算机对例如橡胶材料的形变过程进行了模拟。橡胶材料的传统模拟方法如下列文章所述。(1)橡胶弹性材料的大拉伸性能的三维构成模型，Ellen M.Arruda和Marry C.Boyce，固体力学和物理杂志，第41卷，第2期，389-412页(1993年2月)。(2)弹性材料随时间的大应变性能的构成模型，J.S.BERGSTROM和M.C.BOYCE，固体力学和物理杂志，第46卷，第5期，931-954页(1998)。文献(1)描述了使用分子链网络模型理论分析橡胶材料的方法。然而，根据文献中描述的方法，一般的橡胶材料的应变率相关性不能重复。应变率相关性是显示橡胶材料根据其应变率的不同粘弹性特征的特征。也就是说，当在同一橡胶试样上施以不同频率(例如，10Hz和1,000Hz)的振幅应变时，各个频率下的能量损耗为不同的值。文献(1)没有考虑到这种应变率相关性。因此，不同频率的材料特性不能由一种橡胶材料模型得出精确的判断。这里，以充气轮胎作为橡胶制品的例子，同时考虑其两个性能，即燃油效率和抗滑性能(指轮胎在加速和/或减速时对道路表面的贴合指数)。首先，为了提高轮胎的燃油效率，当车辆以一般的稳定速度行驶时，其胎面橡胶采用小能量损耗的橡胶是有效的。也就是说，当评价燃油效率时，有必要检验橡胶在约从10到100Hz频率的低应变率下的能量损耗。另一方面，为了提高抗滑性能，胎面橡胶必须采用可形变橡胶，以使橡胶在接触到路面的瞬间以其良好的突起和凹陷与路面相配合。由于这个目的，为了提高抗滑性能，橡胶在高速形变的时候最好具有高能量损耗。当评价抗滑性能时，有必要检验橡胶在约从10,000到1,000,000Hz频率的高应变率下的能量损耗。图21显示的是对轮胎用橡胶材料运用频率-温度换算定律计算得到的应变率频率和能量损耗之间的关系，此关系用实线表示。如图所示，如果频率变化，能量损耗也发生大幅变化。但是根据文献(1)的方法，即使橡胶模型的应变率发生变化，只能获得如双短划线所示的相等的能量损耗。这样难以获得研发橡胶的有用数据。应变率是形变频率和应变的乘积。文献(2)中讲到，橡胶模型是依照混合有填料的橡胶材料建立的，并考虑了应变率相关性。当计算橡胶材料的形变时，如何处理填料和橡胶之间的界面是个重要的问题。各种研究结果表明，在界面中，橡胶和填料之间的滑动或摩擦会导致较高的能量损耗。因此，为了对橡胶材料进行精确的模拟，分别对填料和橡胶建立模型是很重要的。然而，根据文献(2)所描述的方法，填料和橡胶被整体而不是分离的建立模型。按照这种方法，并非没有可能获得例如橡胶和填料之间的界面状态和形变下的应力分布状态的信息。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种通过包括填料和橡胶之间界面的状态而能够对橡胶材料的形变状态等进行精确模拟的方法。根据本专利技术，模拟包含由至少一种填料粒子制成的填料部分和围绕该填料部分的橡胶部分的橡胶材料的形变的方法包括下面的步骤将橡胶材料分离为一定数目的构成橡胶材料模型的基元；基于预设条件对橡胶材料模型进行形变计算；以及从形变计算中获取必要的数据；其中所述分离步骤包括如下步骤将填料部分分离成一定数目的构成填料模型的基元；以及将橡胶部分分离成一定数目的构成位于填料模型周围的橡胶模型的基元，所述橡胶模型具有粘弹性随应变率变化的应变率相关性。根据本专利技术的的模拟方法，用于形变计算的橡胶材料模型包括填料模型和围绕该填料模型的橡胶模型。因此，有可能知道填料周围的物性值分布(如应力和能量损耗)。因此，能够进行更详细和更具体的分析。这样的物性值数据被看作是一张分布表，这成为用于研发橡胶和/或填料材料的有用信息资料。此外，根据本专利技术的模拟方法，应变率相关性被限定在橡胶模型内。用一台物理性能测试仪对橡胶施加周期性的应变并测试其粘弹性。然而，电流测量方法，应变频率低至1,000Hz。这对于评价橡胶产品如胎面橡胶的抗滑性能来说是不够的。如果将应变率相关性应用于橡胶模型，不能通过测试仪测得的高尺度的粘弹性可被估计。橡胶模型优选包括界面模型和基质模型。混合有填料的橡胶在填料和橡胶之间具有物理界面。当填料是炭黑时，界面是一个物理耦合。当填料是二氧化硅时，界面是依靠偶合剂的化学耦合。这样的耦合将通过调整界面模型的橡胶的粘弹性以非真方式较精确地重复。因此，有可能充分研究和评价偶合剂。附图说明本专利技术的目的和优点可从通过参考以下对当前的最佳实施方式的描述并结合其中的附图得到最佳的理解图1是本专利技术使用的计算机设备的一个例子的立体图；图2是根据本专利技术最佳实施方式的程序流程图；图3显示的是橡胶材料模型(微观结构)的一个最佳实施方式的图示；图4显示的是炭黑的形状图；图5是用来解释橡胶模型形变的图；图6是橡胶材料的放大图，包括一个分子链结构，一个放大的分子链，以及一个放大的链段；图7显示的是橡胶材料的网状结构的一个例子以及它的一个八链橡胶材料模型的放大图； 图8是用来解释分子链的链接点断裂的图；图9是参数λc与单个分子链平均链段数N的关系图；图10显示的是作为基质模型和界面模型的模拟结果的实际应力-应变关系；图11是形变模拟的程序流程图；图12是用来解释均化法的整体结构和微观结构的关系图；图13显示的是作为橡胶材料模型(整体结构)的模拟结果的真实应力-应变关系图；图14是显示每个模型的模拟结果的真实应力-应变关系图；图15是显示橡胶材料模型的模拟结果的真实应力-应变关系图；图16是显示橡胶材料模型的能量损耗与硬度之间的关系图；图17橡胶材料模型的应力分布图；图18橡胶材料模型的能量损耗分布图；图19是应力分布图，其中(A)是低速形变，(B)是高速形变；图20是胎面橡胶的开发程序流程图；以及图21显示的是使用频率-温度换算定律获得的橡胶材料的能量损耗与应变率之间的关系图。具体实施例方式下面将结合附图对本专利技术的最佳实施方式加以描述。图1显示的是执行本专利技术模拟方法的计算机设备。计算机设备1包括主机1a，键盘1b和作为输入手段的鼠标1c，以及作为输出手段的显示器1d。虽然未显示，主机1a适当装备有中央处理器(缩写为CPU)，只读存储器ROM，暂时存储器，大容量存储装置如磁盘，以及驱动1a1和作为CD-ROM或软盘的1a2。大容量存储装置其内存储用于执行方法的处理步骤(即，程序)，这将在后面描述。图2显示的是根据本专利技术模拟方法的处理步骤的一个实施例。在本实施方式中，首先建立橡胶材料模型(步骤S1)。在图3中，可以看到作为微观结构(可被称作“单元”)的橡胶材料模型2的一个例子。为了形成橡胶材料模型2，将待分析的包含由至少一种填料粒子制成的填料部分和围绕该填料部分的橡胶部分的橡胶材料的微观区域分离成一定数目的小基元2a，2b，2c...。对每个基元2a，2b，2c...给出使用数值分析方法进行形变计算所必需的参数。数值分析法包括例如，有限元法，有限容积法，有限差分运算，或边界元法。参数包括例如，网点坐标值，基元形状，和/或每个基元2a，2b，2c...的材料性能。此外，作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟橡胶材料形变的方法，其特征在于，所述橡胶材料包含由至少一种填料粒子制成的填料部分和围绕该填料部分的橡胶部分，所述方法包括下面的步骤：将所述橡胶材料分成一定数目的构成橡胶材料模型的基元；基于预设条件对所述橡胶材料模型进行形变计算；以及从所述形变计算中获取必要的数据；其中所述分离步骤包括如下步骤：将所述填料部分分离成一定数目的构成填料模型的基元；以及将所述橡胶部分分离成一定数目的位于所述填料模型周围的橡胶模型的基元，所述橡胶模型具有粘弹性随应变率变化的应变率相关性。

【技术特征摘要】
JP 2004-11-15 2004-3308461.一种模拟橡胶材料形变的方法，其特征在于，所述橡胶材料包含由至少一种填料粒子制成的填料部分和围绕该填料部分的橡胶部分，所述方法包括下面的步骤将所述橡胶材料分成一定数目的构成橡胶材料模型的基元；基于预设条件对所述橡胶材料模型进行形变计算；以及从所述形变计算中获取必要的数据；其中所述分离步骤包括如下步骤将所述填料部分分离成一定数目的构成填料模型的基元；以及将所述橡胶部分分离成一定数目的位于所述填料模型周围的橡胶模型的基元，所述橡胶模型具有粘弹性随应变率变化...

【专利技术属性】
技术研发人员：内藤正登，
申请(专利权)人：住友橡胶工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]