輪胎生產(chǎn)中擠出工藝的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬.pdf

1、擠出是聚合物材料的基本成型工藝之一，子午線(xiàn)輪胎的一些重要半成品部件，例如胎面，便是通過(guò)擠出成型的。由于流體彈性的存在，輪胎膠料在離開(kāi)擠出口模后會(huì)出現(xiàn)明顯的脹大，使得擠出物的截面形狀與口模出口處的截面形狀不同，這樣一來(lái)便增加了模具設(shè)計(jì)和工藝控制的難度。擠出工藝分析是輪胎工程界和學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期關(guān)注的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用基礎(chǔ)問(wèn)題，盡管人們對(duì)此已經(jīng)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)幾十年的研究，但至今尚未透徹理解輪胎膠料特殊的流變學(xué)行為，某些復(fù)雜擠出工藝的分析方法也有待完

2、善。在這樣的背景下，本文采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，開(kāi)展了一系列的研究工作，試圖針對(duì)輪胎生產(chǎn)中的擠出成型工藝提出一套完整有效的數(shù)值求解策略。
　　利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀RPA2000、雙料桶毛細(xì)管流變儀Rosand RH2200和旋轉(zhuǎn)流變儀Physica MCR301在寬廣的剪切速率（頻率）范圍內(nèi)對(duì)多種典型輪胎膠料進(jìn)行了系統(tǒng)的流變學(xué)測(cè)試，較全面的揭示了膠料的剪切粘度、復(fù)數(shù)粘度、儲(chǔ)能模量和損耗模量等隨剪切速率、振蕩頻率、剪切應(yīng)變

3、和溫度的變化關(guān)系。膠料的粘度會(huì)隨著剪切速率的增加而減小，屬于典型的剪切變稀流體，但在低剪切速率下卻沒(méi)有明顯的牛頓粘度平臺(tái)。當(dāng)測(cè)試溫度由80℃上升至100℃時(shí)，膠料的粘度會(huì)出現(xiàn)下降，但隨著溫度的進(jìn)一步升高，由溫度變化引起的粘度差異越來(lái)越小。顆粒填充會(huì)影響膠料粘彈性行為的線(xiàn)性，硫化體系則不會(huì)。此外，利用Cox-Merz關(guān)系對(duì)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)粘度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)管流變儀和旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)得的剪切粘度均低于動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)得的復(fù)數(shù)粘度。
　　

4、基于流變學(xué)測(cè)試結(jié)果，先后利用Carreau模型和Phan-Thien-Tanner(PTT)模型對(duì)輪胎膠料的流變學(xué)行為進(jìn)行了純粘性和粘彈性表征，并在通過(guò)建立毛細(xì)管擠出的有限元模型考察了牛頓流體、剪切變稀流體和粘彈性流體的擠出脹大行為。對(duì)于牛頓流體和剪切變稀流體，輕微的脹大現(xiàn)象來(lái)自擠出前后速度場(chǎng)的重新分布，牛頓流體的擠出脹大比為常數(shù)，剪切變稀流體的脹大比隨著體積流量的增加逐漸減小。對(duì)于粘彈性流體，擠出脹大現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是高Weisse

5、nberg數(shù)下流體的彈性回復(fù)。粘彈性模型計(jì)算出的擠出脹大現(xiàn)象更為明顯，且脹大比會(huì)隨著體積流量的增加而增加，與實(shí)際相符，說(shuō)明相比純粘性Carreau模型，粘彈性PTT模型更適合輪胎膠料擠出工藝的數(shù)值模擬。此外，為分析壁面滑移對(duì)毛細(xì)管測(cè)量的影響，建立了毛細(xì)管流變儀的有限元模型。仿真結(jié)果表明，壁面滑移的存在會(huì)使毛細(xì)管流變儀測(cè)得的剪切粘度偏小，從而揭示了實(shí)驗(yàn)中動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)粘度曲線(xiàn)間存在偏差的原因。
　　針對(duì)計(jì)及擠出脹大的共擠出問(wèn)題的求解，首

6、次提出了一種分步迭代方案，解決了同時(shí)計(jì)算擠出物自由表面和材料交界面變形所存在的困難。結(jié)果顯示，受擠出物脹大和彎曲的影響，擠出物下游的材料交界面形狀與口模出口處的交界面形狀存在明顯差異，表明了計(jì)及擠出脹大段的必要性。利用任意拉格朗日-歐拉（Arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE）方法建立了輪胎胎面單擠出成型和共擠出成型的有限元模型，模擬得到的擠出物截面輪廓和材料交界面形狀均與試驗(yàn)結(jié)果符合良好，只在局部存在一定差

7、異。此外，還利用流體體積(volume of fluid，VOF)方法建立了輪胎胎面單擠出成型的有限元模型，該方法能夠描述胎面擠出的動(dòng)態(tài)過(guò)程并計(jì)及傳送帶牽引對(duì)擠出物截面形狀的影響，但對(duì)比ALE方法的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同樣的網(wǎng)格尺度下，VOF方法的計(jì)算精度相對(duì)較差。
　　針對(duì)矩形擠出物建立了口模數(shù)值逆向設(shè)計(jì)的有限元模型，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)出口模尺寸會(huì)隨著體積流量的增加而減小，隨著壁面滑移程度的提高而增大。在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用數(shù)控機(jī)床將設(shè)計(jì)出