橡胶疲劳寿命的有限元分析与实验研究
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研 究 ・开 发
弹 性 体 Ｃ ， Ｈ ２ ０ Ｉ Ｎ １ ７ Ａ － ０ ４ — Ｅ ２ Ｉ ５ Ａ ， ２ Ｓ ７ Ｔ （ ２ （ ） Ｍ ： １ Ｅ Ｏ Ｒ ～ Ｉ Ｃ １ ４ Ｓ
橡 胶 疲 劳 寿 命 的有 限元 分 析 与 实验 研 究 ＊
张 天 华 ， 王
国家 重 点 实 验 室 ， 辽 宁 大连 １ １ ６ ０ ２ ４ ）
有 限元 法分 析 橡 胶 的疲 劳 问题 始 于 ２ Ｏ世 纪
后期， 它 的兴 起 引 起 了研 究 疲 劳 问题 学 者 的广 泛 关 注 。２ Ｏ世 纪后 期 ， 国 内已经 开 始用 有 限 元 法 分
验， 获取材 料 的应 力一 应 变 曲线 ， 通 过 该 曲 线 分 析 硫化 橡胶 的 基 本 力 学 性 能 。将 应 力一 应 变 曲 线 导
该 配 方 的硫 化 Ｎ Ｒ， 当橡 胶 本 构 方程 选 用 Ａｒ ｒ ｕ ｄ ａ — Ｂ ｏ ｙ ｃ ｅ模 型 时 ， 模拟 的橡胶 试样 单向拉伸 力学行 为（ 应
力一 应变） 与 实验 值 比较 吻舍 ； 通 过 ＡＢ ＡＱｕｓ和 Ｆ Ｅ — Ｓ ＡＦ Ｅ平 台模 拟 得 到 的 硫 化 Ｎ Ｒ 试样的疲 劳寿命 与 疲劳实验结果相接近 ， 误 差在 １ ． ９ ８ ％范 围 内 。验 证 了有 限 元 软 件 ＡＢ Ａ Ｑｕｓ和 Ｆ Ｅ — Ｓ ＡＦ Ｅ 相 结 合 模 拟 结
入 ＡＢ ＡＱＵＳ软 件 中 ， 通 过软 件 中 自带 的橡 胶 本
＊基 金项 目 ： 国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ ５ １ ２ ７ ３ ０ ９ ９ ， ２ １ ２ ７ ４ ０ ７ ２ ） ； 绿 色 轮胎 与 橡胶 协 同创 新 中心 开 放 基金 资 助 项 目
（ ２ ０ １ ４ ＧＴＲ０ ０ ０ ５ ）
伟 。 一
（ １ ． 青 岛科 技 大学 橡 塑 材 料 与 工 程 教 育 部 重 点 实 验 室 ， 山东 青 岛 ２ ６ ６ ０ ４ ２ ； ２ ． 大 连 理 工 大 学 工 业 装 备 结 构 分 析
摘 要 ： 采 用有 限元 模 拟 与 实验 相 结 合 的 方 法 ， 借 助 有 限元 分析 软 件 Ａ Ｂ ＡＱＵ Ｓ和 Ｆ Ｅ — Ｓ ＡＦ Ｅ平 台， 结合 相 关 橡胶 疲 劳 实 验 方 法 ， 有 效 预 测 了硫 化 天 然 橡 胶 （ Ｎ Ｒ） 哑铃型 试样 的疲劳寿命 。结果表 明， 对 于
作者简 介 ： 张天华 （ １ ９ ９ １ 一 ） ， 女， 山东青岛人 ， 在 读硕士研究生 ， 主要 从 事 橡 胶 材 料 疲 劳 寿命 有 限元 分 析 与 实验 研 究 工作 。 ＊＊ 通讯联 系人 ： 王 伟（ １ ９ ７ ４ 一 ） ， 男， 山东 泰 安 人 ， 副教授 ， 主要 从 事 橡 胶 制 品 的有 限元 分 析及 结 构 优 化 。
果的准确性 ， 以及 预 测 橡 胶 材 料 疲 劳 寿命 的 可行 性 。
关键 词 ： 橡胶 ； 疲 劳寿 命 ； 有 限元 ； 疲 劳 实验
中图 分类 号 ： Ｔ Ｑ ３ ３ ６ ． １ ； Ｕ ４ ６ ３ ． ３ ４ １ ； Ｏ ２ ４ ２ ． ２ １ 文 献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ０ ０ ５ — ３ １ ７ ４ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ２ — ０ ０ １ ０ — ０ ５
橡胶 制 品 由于 其 性 能 的特 殊 性 ， 被 广 泛 应 用 于机 械设 备 的关 键 部位 。如果 在 未 知 的前 提 下 ， 橡胶 制 品 的疲 劳 失 效 通 常会 造 成 不 可 预 知 的 损
失ｌ １ ］ 。例 如行 驶 中 轮胎 的爆 胎 ， 严 重 情 况 下 会 引 发重 大 交通 事 故 ， 给 人 身 安 全造 成 威 胁 。如 果 能
析 橡胶 制 品 的疲 劳 ， ２ ０ １ ０年 后 ， 研 究 者 开始 普遍
采 用有 限 元 法 作 为 橡 胶 疲 劳 寿 命 预 测 的主 要 工
具＿ ９ 。有 限元 法 的 优点 在 于 可 节 省研 发 时 间 、 降 低 成本 且 计 算 结 果 比较 准 确 。本 文 在 刘 建 勋 等＿ ｌ 叫研 究 的 ｓ — Ｎ 曲 线 理 论 基 础 上 ，运 用 Ａ Ｂ ＡＱＵＳ和 Ｆ Ｅ — Ｓ ＡＦ Ｅ两种 有 限元 分 析 软 件 ， 结 合 相关 疲劳 实验 ， 对硫 化天 然橡胶 （ ＮＲ） 哑铃 型 试
目前 为 止 ， 橡 胶 疲 劳 失效 的方 法 从 理论 上大 体 可
概 括为 两个 方面 ： （ １ ） 断 裂 力 学 角度 ， 包 括 裂 纹 成
１ 橡 胶 材 料 力 学 性 能 测 试
１ ． １ 硫 化 胶 配 方
பைடு நூலகம்
基本 配 方 （ 质量份， 下 同） ：ＮＲ １ ０ ０ ； 炭 黑 （ Ｃ Ｂ ） ５ ０ ； Ｚ ｎ Ｏ ３ ； Ｓ ２ ； Ｎ一 叔 丁 基一 ２ 一 苯并 噻 唑 次 磺 酰胺 （ ＮＳ ） １ ； 硬脂酸（ Ｓ Ａ） １ 。 １ ． ２ 单轴 拉伸 测试 及材 料参 数拟 合 橡胶 材料 的基 础力学 性能 测试 为单轴 拉伸 实
在橡 胶 制 品使 用 之 前 ， 尽 可 能 准 确 地 预报 其 疲 劳
寿命 ， 则 可避 免 诸 如 此 类 悲剧 的发 生 。橡 胶 材 料 疲 劳性 能 的研 究 历经 了一 个多 世纪 ， 早在 １ ９世纪
样 疲 劳寿命 进行 了预测 。
６ Ｏ年 代 ， 研 究 者 就 开 始 关 注 橡 胶 的疲 劳 问 题 ， 随 后， 多种 研究 橡胶 疲劳 断裂 的方 法被 提 出￣ ２ － ｓ ３ 。到
核 法和 裂 纹 扩 展 法 ； （ ２ ） Ｓ — Ｎ 曲线 法 ＿ ８ Ｊ 。随 着 计
算机技 术 的发 展， 有 限元 分 析 （ Ｆ Ｅ Ａ， Ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ
Ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ） 方 法 作 为 一 种 新 的 工 具 被 用 于橡 胶 疲劳 寿命 的预 测 。
弹 性 体 Ｃ ， Ｈ ２ ０ Ｉ Ｎ １ ７ Ａ － ０ ４ — Ｅ ２ Ｉ ５ Ａ ， ２ Ｓ ７ Ｔ （ ２ （ ） Ｍ ： １ Ｅ Ｏ Ｒ ～ Ｉ Ｃ １ ４ Ｓ
橡 胶 疲 劳 寿 命 的有 限元 分 析 与 实验 研 究 ＊
张 天 华 ， 王
国家 重 点 实 验 室 ， 辽 宁 大连 １ １ ６ ０ ２ ４ ）
有 限元 法分 析 橡 胶 的疲 劳 问题 始 于 ２ Ｏ世 纪
后期， 它 的兴 起 引 起 了研 究 疲 劳 问题 学 者 的广 泛 关 注 。２ Ｏ世 纪后 期 ， 国 内已经 开 始用 有 限 元 法 分
验， 获取材 料 的应 力一 应 变 曲线 ， 通 过 该 曲 线 分 析 硫化 橡胶 的 基 本 力 学 性 能 。将 应 力一 应 变 曲 线 导
该 配 方 的硫 化 Ｎ Ｒ， 当橡 胶 本 构 方程 选 用 Ａｒ ｒ ｕ ｄ ａ — Ｂ ｏ ｙ ｃ ｅ模 型 时 ， 模拟 的橡胶 试样 单向拉伸 力学行 为（ 应
力一 应变） 与 实验 值 比较 吻舍 ； 通 过 ＡＢ ＡＱｕｓ和 Ｆ Ｅ — Ｓ ＡＦ Ｅ平 台模 拟 得 到 的 硫 化 Ｎ Ｒ 试样的疲 劳寿命 与 疲劳实验结果相接近 ， 误 差在 １ ． ９ ８ ％范 围 内 。验 证 了有 限 元 软 件 ＡＢ Ａ Ｑｕｓ和 Ｆ Ｅ — Ｓ ＡＦ Ｅ 相 结 合 模 拟 结
入 ＡＢ ＡＱＵＳ软 件 中 ， 通 过软 件 中 自带 的橡 胶 本
＊基 金项 目 ： 国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ ５ １ ２ ７ ３ ０ ９ ９ ， ２ １ ２ ７ ４ ０ ７ ２ ） ； 绿 色 轮胎 与 橡胶 协 同创 新 中心 开 放 基金 资 助 项 目
（ ２ ０ １ ４ ＧＴＲ０ ０ ０ ５ ）
伟 。 一
（ １ ． 青 岛科 技 大学 橡 塑 材 料 与 工 程 教 育 部 重 点 实 验 室 ， 山东 青 岛 ２ ６ ６ ０ ４ ２ ； ２ ． 大 连 理 工 大 学 工 业 装 备 结 构 分 析
摘 要 ： 采 用有 限元 模 拟 与 实验 相 结 合 的 方 法 ， 借 助 有 限元 分析 软 件 Ａ Ｂ ＡＱＵ Ｓ和 Ｆ Ｅ — Ｓ ＡＦ Ｅ平 台， 结合 相 关 橡胶 疲 劳 实 验 方 法 ， 有 效 预 测 了硫 化 天 然 橡 胶 （ Ｎ Ｒ） 哑铃型 试样 的疲劳寿命 。结果表 明， 对 于
作者简 介 ： 张天华 （ １ ９ ９ １ 一 ） ， 女， 山东青岛人 ， 在 读硕士研究生 ， 主要 从 事 橡 胶 材 料 疲 劳 寿命 有 限元 分 析 与 实验 研 究 工作 。 ＊＊ 通讯联 系人 ： 王 伟（ １ ９ ７ ４ 一 ） ， 男， 山东 泰 安 人 ， 副教授 ， 主要 从 事 橡 胶 制 品 的有 限元 分 析及 结 构 优 化 。
果的准确性 ， 以及 预 测 橡 胶 材 料 疲 劳 寿命 的 可行 性 。
关键 词 ： 橡胶 ； 疲 劳寿 命 ； 有 限元 ； 疲 劳 实验
中图 分类 号 ： Ｔ Ｑ ３ ３ ６ ． １ ； Ｕ ４ ６ ３ ． ３ ４ １ ； Ｏ ２ ４ ２ ． ２ １ 文 献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ０ ０ ５ — ３ １ ７ ４ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ２ — ０ ０ １ ０ — ０ ５
橡胶 制 品 由于 其 性 能 的特 殊 性 ， 被 广 泛 应 用 于机 械设 备 的关 键 部位 。如果 在 未 知 的前 提 下 ， 橡胶 制 品 的疲 劳 失 效 通 常会 造 成 不 可 预 知 的 损
失ｌ １ ］ 。例 如行 驶 中 轮胎 的爆 胎 ， 严 重 情 况 下 会 引 发重 大 交通 事 故 ， 给 人 身 安 全造 成 威 胁 。如 果 能
析 橡胶 制 品 的疲 劳 ， ２ ０ １ ０年 后 ， 研 究 者 开始 普遍
采 用有 限 元 法 作 为 橡 胶 疲 劳 寿 命 预 测 的主 要 工
具＿ ９ 。有 限元 法 的 优点 在 于 可 节 省研 发 时 间 、 降 低 成本 且 计 算 结 果 比较 准 确 。本 文 在 刘 建 勋 等＿ ｌ 叫研 究 的 ｓ — Ｎ 曲 线 理 论 基 础 上 ，运 用 Ａ Ｂ ＡＱＵＳ和 Ｆ Ｅ — Ｓ ＡＦ Ｅ两种 有 限元 分 析 软 件 ， 结 合 相关 疲劳 实验 ， 对硫 化天 然橡胶 （ ＮＲ） 哑铃 型 试
目前 为 止 ， 橡 胶 疲 劳 失效 的方 法 从 理论 上大 体 可
概 括为 两个 方面 ： （ １ ） 断 裂 力 学 角度 ， 包 括 裂 纹 成
１ 橡 胶 材 料 力 学 性 能 测 试
１ ． １ 硫 化 胶 配 方
பைடு நூலகம்
基本 配 方 （ 质量份， 下 同） ：ＮＲ １ ０ ０ ； 炭 黑 （ Ｃ Ｂ ） ５ ０ ； Ｚ ｎ Ｏ ３ ； Ｓ ２ ； Ｎ一 叔 丁 基一 ２ 一 苯并 噻 唑 次 磺 酰胺 （ ＮＳ ） １ ； 硬脂酸（ Ｓ Ａ） １ 。 １ ． ２ 单轴 拉伸 测试 及材 料参 数拟 合 橡胶 材料 的基 础力学 性能 测试 为单轴 拉伸 实
在橡 胶 制 品使 用 之 前 ， 尽 可 能 准 确 地 预报 其 疲 劳
寿命 ， 则 可避 免 诸 如 此 类 悲剧 的发 生 。橡 胶 材 料 疲 劳性 能 的研 究 历经 了一 个多 世纪 ， 早在 １ ９世纪
样 疲 劳寿命 进行 了预测 。
６ Ｏ年 代 ， 研 究 者 就 开 始 关 注 橡 胶 的疲 劳 问 题 ， 随 后， 多种 研究 橡胶 疲劳 断裂 的方 法被 提 出￣ ２ － ｓ ３ 。到
核 法和 裂 纹 扩 展 法 ； （ ２ ） Ｓ — Ｎ 曲线 法 ＿ ８ Ｊ 。随 着 计
算机技 术 的发 展， 有 限元 分 析 （ Ｆ Ｅ Ａ， Ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ
Ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ） 方 法 作 为 一 种 新 的 工 具 被 用 于橡 胶 疲劳 寿命 的预 测 。