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基于ABAQus的橡胶硫化有限元分析

基于ABAQUS的橡胶硫化有限元分析

上海丰赐信息科技有限公司 张 建

摘要:硫化是橡胶制造过程中的最后一道工序,决定着产品的最终形状和物理性能。本文提出了一种橡胶硫化过程的有限元分析方法,在这方法中考虑了导热系数和比热容随着温度和硫化程度的变化关系,分别采用Nth-order、Piloyan、Kamal-Ryan、Kamal-Sourour和Rafei五个动力学模型拟合试验所得的橡胶流变曲线,找出最佳动力学模型,采用无量纲参数并结合Arrhenius函数来描述焦烧期。为了检验该方法的有效性和可行性,以某橡胶压头为例,运用商业软件ABAQUS及其用户子程序UMATHT,对压头硫化模型进行数值计算,最后分析了压头在硫化过程中的焦烧、温度和硫化程度等热性能参数。结果表明,所提出的方法是切实可行,为橡胶制品的硫化设计提供了一种较为经济实用的预估方法。 关键词:橡胶,硫化动力学,热物性参数,焦烧,有限元分析

了仿真橡胶硫化的三维有限元模型,并用测温试验硫化是橡胶产品制造过程的最后一道工序,在

验证了数值计算结果。Rafei[12]研究了橡胶硫化过程这个极其重要的阶段,橡胶化合物发生交联反应,

若干关键问题,如考虑了研究了导热系数和比热容最终形成一种超弹性耐久材料,以满足使用性能要

与温度和硫化程度的变化关系,建立了更加精确的求。从动力学角度,橡胶硫化反应本身非常复杂;

硫化动力学模型。然而,上述研究都没有系统论述从经济学角度,橡胶硫化关联性很高,恰当的硫化

橡胶硫化有限元分析技术,而且缺少对硫化动力学时间将会产出好产品,而不恰当的硫化将会导致产

模型进行全面比较研究。 品报废,无法回收再利用。

为此,本文提出了一种橡胶硫化过程的有限元与其它材料相比,由于橡胶的热扩散系数非常

分析方法,根据橡胶热物性参数试验结果,研究导低,内部每一点的温度历程都不一样,导致温度和

热系数和比热容随着温度和硫化程度的变化关系,硫化程度分布不均,简单的等温硫化曲线已经不能

根据试验所得的橡胶流变曲线,研究5个常用硫化用来评价橡胶的硫化程度。可以使用两种方法解决

动力学模型的精度,以及焦烧期的合理描述。然后此问题,一种是通过热电偶测出产品内部关键点处

以橡胶压头为例,结合ABAQUS及其用户子程序的温度历程,应用合理的动力学模型把各点温度转

UMATHT,进行压头的硫化过程仿真,分析焦烧、化为硫化程度,以此确定硫化的必要时间。但是这

温度以及硫化程度的变化。 种方法不但成本高、时间长,而且无法精确获取压

头内部每一点的硫化特性。另一种办法是一种基于1 数学模型 计算机仿真的数值技术,可以预测出橡胶内部每一橡胶硫化是热传导和交联反应相互作用的物点的温度和硫化程度,有助于减少产品开发成本和理化学现象,需用综合运用传热学和硫化反应动力缩短研发周期。早期,Prentice、Isayev和Deng等学知识,建立传热-交联反应耦合模型。 人利用有限差分法来预测橡胶制品在硫化过程中1.1 热传导方程 的温度和交联反应程度[1-3]。 在轴对称坐标系中橡胶硫化的瞬态传热方程

如下: 鉴于很多橡胶制品结构和硫化过程的复杂性,

有限元法(FEM)能更加精确和全面地研究轮胎硫

T1 T T ρCp化。Toth[4]使用FE技术首次模拟了轮胎的硫化过程 rk + k +Q (1)

tr r r z z

并研究了初始温度对硫化的影响。Marzocca[5]建立

其中,T为橡胶温度,t为硫化时间,ρ为橡胶密了一维FE模型来模拟橡胶圆柱体的硫化过程。

Han[6]建立了在平板硫化机上轮胎硫化的二维轴对 为胶度,Cp为橡胶比热容,k为橡胶导热系数,Q称模型,使用自己开发的软件求解系统方程,最后把仿真结果与试验做了对比分析。之后,Han[7]使料单位体积的生热率。

对于橡胶热物性参数研究,通常把导热系数与用这个模型优化了轮胎硫化工艺。Ghoreishy和

温度设为一阶线性反比例关系,但是橡胶的导热性Naderi[8-11]深入研究了硫化过程三维FE技术,建立

与其中炭黑类型和含量有很大关系,有时随着温度

增加,有时也减小;橡胶的密度通常随着温度增加

而减少,而橡胶热容随着温度增加而增加。此外,作者简介: 张建,博士研究生,讲师,主要从事橡胶现代设

计理论与方法的研究,E-mail: zhjian127@http://doc.xuehai.net

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