炭黑填充橡膠複合材料大變形宏細觀力學行為研究

《炭黑填充橡膠複合材料大變形宏細觀力學行為研究》是依託福州大學，由楊曉翔擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：炭黑填充橡膠複合材料大變形宏細觀力學行為研究
• 依託單位：福州大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊曉翔

項目摘要

採用實驗研究、理論分析與計算機模擬相結合的方法，對炭黑填充橡膠複合材料大變形宏細觀力學行為進行研究。在分析巨觀與細觀特徵之間聯繫的基礎上，提出均勻分布和隨機分布形態的代表性體積單元，建立不同的細觀力學數值模型，分析炭黑顆粒的形狀、分布形態、粒徑大小、彈性模量以及體積含量等對橡膠材料巨觀應力應變行為、有效彈性模量、Mullins效應及其能量損耗的影響規律。提出新的有效彈性模量理論估計式，更好地反映小變形階段時炭黑填充量對橡膠有效彈性模量的影響規律。提出更為合理的巨觀本構模型，更加精確的表征炭黑填充橡膠材料大變形範圍內的拉伸力學行為，為橡膠材料的設計奠定理論基礎。採用實驗驗證巨觀本構模型和細觀力學數值模型的合理性及其預報能力。通過數值模擬和實驗驗證手段，研究獲得炭黑的填充對橡膠複合材料相關力學行為的影響規律，為橡膠製品相關結構設計選材，材料和結構的安全分析及其性能最佳化提供理論依據和分析方法。

結題摘要

本項目主要採用實驗研究、理論分析與數值模擬相結合的方法，對炭黑填充橡膠複合材料的宏細觀力學行為進行了研究。 對不同體積含量的炭黑填充橡膠和未填充橡膠進行了單軸拉伸、循環拉伸加卸載以及多步鬆弛拉伸加卸載等準靜態力學實驗，探索了炭黑的填充對硫化橡膠相關力學行為的影響規律。 在通過電鏡試驗分析炭黑填充橡膠複合材料的巨觀與細觀結構特徵之間聯繫的基礎上，提出了代表性體積單元，對隨機序列吸附算法進行了改進，並通過周期性邊界條件的推導及其約束，建立了更為精細、更加符合炭黑顆粒隨機分布真實情況的多顆粒夾雜三維細觀力學模型，採用非線性有限元分析方法對炭黑填充橡膠複合材料的力學行為進行了研究。主要討論了炭黑顆粒的形狀、分布形態、粒徑大小、彈性模量以及體積分數等對複合材料巨觀力學行為的影響規律。並採用實驗驗證了細觀力學數值模型的合理性及其預報能力，為橡膠製品相關結構設計、選材、材料和結構的安全分析及其性能最佳化提供理論依據和分析方法。 對若干經典本構模型進行了評估，分析了這些模型表征橡膠材料力學性能的優缺點。重點分析了Mooney模型不適用於表征橡膠大變形力學行為的原因，在此基礎上，基於Ogden和Treloar的基本假設，提出了一個改進Mooney模型。根據宋名實提出的橡膠本構模型，在八鏈模型的基礎上添加了兩個修正項，提出了一個修正八鏈模型。考慮到橡膠分子之間的相互約束作用，提出了一種考慮分子約束的三鏈模型，並在此基礎上，進一步提出了Mullins模型。最後根據橡膠分子網路分解概念，提出了一個複合本構模型。通過與實驗數據對比，這些本構模型都可較好地表征炭黑填充橡膠材料小變形到中等變形範圍的力學特性，並對橡膠複雜變形具有良好的預測能力。