趙子涵,穆希輝,杜峰坡
(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 彈藥工程系,河北 石家莊 050003;2.32181部隊(duì),河北 石家莊 050003)
橡膠履帶是一種由橡膠基體相和簾線增強(qiáng)相構(gòu)成的柔性復(fù)合材料,近年來在軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,如M113裝甲輸送車、CV90步兵戰(zhàn)車、BvS10裝甲全地形車等,都已采用橡膠履帶進(jìn)行作戰(zhàn)訓(xùn)練。橡膠履帶作為一種橡膠- 簾線復(fù)合材料,在服役條件下具有超彈性、大變形和各向異性等力學(xué)特性,其性能優(yōu)劣直接決定了作戰(zhàn)保障車輛的使用壽命[1]。因此,建立一種本構(gòu)模型以準(zhǔn)確表征橡膠履帶復(fù)合材料的力學(xué)行為,對于研究其性能和壽命等具有重要的理論意義和工程價值。
國內(nèi)外學(xué)者針對橡膠- 簾線復(fù)合材料提出了許多模型。Levin等[2]基于代表性體積元法建立了橡膠- 簾線復(fù)合材料數(shù)值模型,但代表性體積元陣列難以真實(shí)反映材料微細(xì)觀構(gòu)造,在預(yù)測剪切、彎曲等性能時誤差較大。Ren等[3]在Mooney-Rivilin模型基礎(chǔ)上推導(dǎo)了包含簾線材料的拉伸模量修正公式,但該模型在預(yù)測其他性能時效果較差。Cho等[4]基于加強(qiáng)筋模型建立了橡膠- 簾線有限元模型,但采用加強(qiáng)筋模型需要對橡膠與簾線材料性能進(jìn)行單獨(dú)考慮,從而忽略了二者之間的相互作用關(guān)系;陳洪月等[5]將橡膠基體簡化為線彈性材料,建立了鋼絲繩芯橡膠輸送帶本構(gòu)模型。
基于纖維增強(qiáng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論[6]的各向異性本構(gòu)模型,能夠較好地反映大變形和非線性等材料特性,近年來學(xué)者們圍繞該理論提出了許多適用于橡膠- 簾線復(fù)合材料的本構(gòu)模型。Peng等[7]建立了一種適用于輪胎的各向異性超彈性本構(gòu)模型,并提出一種參數(shù)識別方法;Yang等[8-9]建立了一種具有雙向簾線的橡膠- 簾線本構(gòu)模型。談炳東等[10]以短纖維增強(qiáng)三元乙丙橡膠包覆膜為研究對象,將應(yīng)變能解耦為各向同性部分和各向異性部分;但該模型忽略了橡膠與簾線間的作用,當(dāng)簾線偏角大于45°時模型預(yù)測效果較差。黃小雙等[11]和郭國棟等[12]對Peng等[7]的模型進(jìn)行改進(jìn),分別考慮剪切作用、法向作用和應(yīng)變率效應(yīng)等因素,進(jìn)一步提高了模型的準(zhǔn)確性和應(yīng)用范圍。劉海健等[13]建立了一種適用于粒子分離器鼓包的橡膠- 簾線本構(gòu)模型。
近年來,為解決橡膠履帶橫向剛度不連續(xù)的問題,國外提出了偏置簾線鋪設(shè)形式[14-16],以改善履帶橫向剪切應(yīng)力分布。但國內(nèi)尚無相關(guān)研究用于指導(dǎo)橡膠履帶的工程設(shè)計(jì)。此外,目前在橡膠履帶式車輛性能分析[17-19]中大多基于線彈性或各向同性理論對橡膠履帶進(jìn)行簡化,難以準(zhǔn)確反映其真實(shí)力學(xué)行為。針對此問題,本文開展不同簾線偏角的橡膠- 簾線復(fù)合材料單軸拉伸試驗(yàn)研究,分析簾線偏角對材料力學(xué)性能的影響?;诶w維增強(qiáng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論建立一種橡膠- 簾線超彈性模型,并提出一種基于粒子群優(yōu)化算法和牛頓迭代法的模型參數(shù)尋優(yōu)擬合方法。最后,利用Abaqus軟件的UANISOHYPER_INV子程序驗(yàn)證所建模型在有限元分析中的適應(yīng)性和正確性。
橡膠履帶以硫化橡膠為基體材料,根據(jù)不同部位的性能要求采用不同膠料配方。履帶中鋪設(shè)有鋼絲簾線作為加強(qiáng)層,用于承受車輛牽引力?;y內(nèi)部沿履帶寬度方向鋪設(shè)有玻璃纖維棒。橡膠履帶基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 橡膠履帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of rubber track
由圖1可知,橡膠履帶中鋼絲簾線嵌入簾線膠中。因此,橡膠- 簾線復(fù)合材料試樣以簾線膠為基體材料,以鋼絲簾線為增強(qiáng)材料。試驗(yàn)所用試樣由青島開世密封工業(yè)有限公司生產(chǎn),試樣長度為145 mm(其中標(biāo)距段長度為95 mm),寬度為25 mm,厚度為2.9 mm,簾線所占體積比約為0.11.定義履帶長度方向?yàn)?°,分別制備簾線鋪設(shè)角度為0°、15°、45°、60°、90°的試樣。簾線偏角定義如圖2所示。
圖2 簾線偏角示意圖Fig.2 Schematic diagram of cord off-axis angle
利用美國Instron公司生產(chǎn)的5982型萬能材料試驗(yàn)機(jī)對橡膠- 簾線試樣進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)。由于試樣在拉伸過程中變形速率較快,為防止損壞引伸計(jì),采用南京中迅微傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的PMLAB非接觸式測量系統(tǒng)測量試樣變形。試驗(yàn)測試系統(tǒng)如圖3所示。
圖3 單軸拉伸試驗(yàn)測試系統(tǒng)Fig.3 Test system for uniaxial tension experiment
為消除Mullins效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響,對試樣進(jìn)行預(yù)處理,即重復(fù)進(jìn)行加載- 卸載循環(huán),每次加載位移為5 mm,直至最后兩次循環(huán)曲線基本相同。設(shè)置拉伸速率為50 mm/min,該條件下試樣應(yīng)變率約為5.75×10-3s-1.試驗(yàn)時,調(diào)整雙目相機(jī)拍攝頻率,使其與拉伸速率相匹配。
為消除預(yù)加載后橡膠- 簾線試樣產(chǎn)生的殘余變形,對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到不同簾線偏角下試樣的單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù),如圖4所示。
圖4 不同簾線偏角下試樣的單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.4 Uniaxial tension data with different cord off-axis angles
由圖4可以看出,不同簾線偏角下橡膠- 簾線復(fù)合材料的力學(xué)性能并不相同。對于指應(yīng)變條件下的橡膠- 簾線復(fù)合材料,當(dāng)簾線偏角較小時,簾線偏角對材料力學(xué)性能的影響較為顯著,其拉伸模量和拉伸強(qiáng)度隨簾線偏角的增大而減??;當(dāng)簾線偏角較大時,簾線偏角對材料力學(xué)性能的影響逐漸減小。根據(jù)應(yīng)力傳遞理論,在單軸拉伸載荷作用下,橡膠基體首先受到力的作用,然后通過一定方式傳遞到簾線或橡膠- 簾線界面上。當(dāng)簾線偏角較小時,與橡膠材料相比,簾線材料具有較大的拉伸模量,此時簾線是主要承載結(jié)構(gòu);當(dāng)簾線偏角較大時,應(yīng)力傳遞規(guī)律被破壞,簾線的主導(dǎo)作用降低,因此材料力學(xué)性能的變化不夠顯著。
橡膠履帶是一種單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,根據(jù)Spencer等[6]提出的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料理論,其應(yīng)變能函數(shù)W可以表示為關(guān)于右Cauchy-Green應(yīng)變張量C不變量和簾線初始方向向量a0的各向同性函數(shù),如(1)式所示:
W=W(C,a0)=W(I1,I2,I3,I4,I5),
(1)
(2)
將橡膠- 簾線復(fù)合材料應(yīng)變能解耦為橡膠變形產(chǎn)生的應(yīng)變能Wm、簾線拉伸產(chǎn)生的應(yīng)變能Wf以及橡膠與簾線相互作用產(chǎn)生的應(yīng)變能Wf,m.因此,應(yīng)變能函數(shù)W可寫為(3)式:
W=W(C,a0)=Wm+Wf+Wf,m.
(3)
σ=J-1FSFT=2{W1B-W2B-1+I4W4a?a+
I4W5(a?Ba+Ba?a)}-pI,
(4)
式中:Wi=?W/?Ii,i=1,2,3,4,5;F為變形梯度張量;B=FFT為左Cauchy-Green應(yīng)變張量;a為當(dāng)前構(gòu)形中簾線方向單位向量;p為靜水壓力;I為2階單位張量。
通常橡膠應(yīng)變能函數(shù)可分為兩大類[21]:一類是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的唯象模型,如Neo-Hookean模型、Mooney-Rivlin模型等;另一類是基于熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)方法的分子鏈網(wǎng)絡(luò)模型,如Arruda-Boyce模型等。為便于模型參數(shù)擬合,一般選擇基于不變量的唯象模型表征橡膠材料。不同的本構(gòu)模型都具有相應(yīng)的適用范圍[22],因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的橡膠材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定橡膠應(yīng)變能函數(shù)形式。
將簾線視為不可壓縮材料,即處于壓縮狀態(tài)的簾線應(yīng)變能為0.簾線的應(yīng)變能與其拉伸情況相關(guān),因?yàn)镮4等于簾線方向拉伸率λf的平方,故一般將其應(yīng)變能函數(shù)定義為關(guān)于I4-1的多項(xiàng)式[23-24]或指數(shù)函數(shù)形式[9]。為便于模型參數(shù)擬合,本文定義簾線應(yīng)變能函數(shù)Wf[20]為
(5)
式中:k1、k2和k3為材料參數(shù)(MPa)。
橡膠與簾線相互作用產(chǎn)生的應(yīng)變能Wf,m可利用基體法向與簾線方向的夾角φ表示[20]為
Wf,m=f(I4)(mtan4φ+ntan2φ),
(6)
f(I4)=exp[l(I4-1)],
(7)
式中:l為無量綱材料參數(shù)。
簾線偏角為90°的單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)可近似作為純橡膠材料單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)[25-26],試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。該拉伸條件下,總應(yīng)變能W等于橡膠變形產(chǎn)生的應(yīng)變能Wm,即Wf=Wf,m=0.因此,由(4)式可得
(8)
式中:σi(i=1,2,3)為主應(yīng)力;λi為對應(yīng)的主伸長率。
單軸拉伸時,有σ1=σ(σ為名義應(yīng)力),σ2=σ3=0 MPa.分別采用Yeoh模型、Mooney-Rivlin模型和2階多項(xiàng)式模型對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖5所示。其中,各模型表達(dá)式為
圖5 簾線偏角為90°時單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合結(jié)果Fig.5 Test data and fit curves of 90° off-axis tension
Yeoh模型:
Wm=C10(I1-3)+C20(I1-3)2+C30(I1-3)3,
(9)
式中:C10、C20、C30為材料參數(shù)(MPa)。
Mooney-Rivlin模型:
Wm=C10(I1-3)+C01(I2-3),
(10)
式中:C01為材料參數(shù)(MPa)。
2階多項(xiàng)式模型:
Wm=C10(I1-3)+C01(I2-3)+C20(I1-3)2+
C02(I2-3)2+C11(I1-3)(I2-3),
(11)
式中:C02和C11為材料參數(shù)(MPa)。
由圖5分析可知,2階多項(xiàng)式模型對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果最好。因此選用2階多項(xiàng)式模型表征橡膠基體材料,模型參數(shù)C10、C01、C20、C02分別為C10=-87.899 0 MPa,C01=94.341 4 MPa,C20=1 662.885 4 MPa,C02=2 508.631 1 MPa,C11=-4 025.691 0 MPa.
利用簾線偏角為0°的單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行簾線應(yīng)變能函數(shù)的參數(shù)擬合。在該拉伸條件下,總應(yīng)變能W等于橡膠變形產(chǎn)生的應(yīng)變能Wm和簾線拉伸產(chǎn)生的應(yīng)變能Wf之和,且拉伸應(yīng)變ε與不變量I4間存在如下關(guān)系式:
(12)
根據(jù)(12)式,可由簾線偏角為0°的單軸拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線(見圖6)建立(I4-1)-Wf關(guān)系。采用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)擬合,得到簾線應(yīng)變能函數(shù)參數(shù)k1、k2和k3分別為0.023 8 MPa、4.841 9 MPa、989.355 8 MPa.
圖6 簾線偏角為0°時單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合結(jié)果Fig.6 Experimental data and fit curve of 0° off-axis tension
利用簾線偏角為15°的單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行橡膠與簾線相互作用應(yīng)變能函數(shù)的參數(shù)擬合。該拉伸條件下,總應(yīng)變能W包括橡膠變形產(chǎn)生的應(yīng)變能Wm、簾線拉伸產(chǎn)生的應(yīng)變能Wf以及橡膠與簾線相互作用產(chǎn)生的應(yīng)變能Wf,m.由(4)式可得
(13)
式中:α為簾線偏角。
由于σ1=σ,σ2=σ3=0 MPa,由(13)式可得
(14)
(14)式包含未知量λ1~λ3、l、m和n.為確定參數(shù)l、m和n的值,提出一種基于粒子群優(yōu)化(PSO)算法和牛頓迭代法的參數(shù)尋優(yōu)算法[27-28],其基本流程如下:
1)設(shè)置初始參數(shù)。因?yàn)榇髤?shù)為l、m和n,所以第i個粒子的位置xi表示為
xi=[xi1,xi2,xi3],
(15)
則種群數(shù)量為N的粒子群X表示為
X=[x1,x2,…,xN].
(16)
設(shè)定種群數(shù)量N=30,學(xué)習(xí)因子c1=c2=2,最大迭代次數(shù)M=100,每個粒子的位置分量變化范圍均為[-20,20],速度變化范圍均為[-2,2]。
2)對于某一粒子,即給定參數(shù)l、m和n時,可根據(jù)牛頓迭代法計(jì)算得到λ2和λ3.粒子的適應(yīng)度函數(shù)F如下:
(17)
式中:r為試驗(yàn)數(shù)據(jù)個數(shù);σcj為名義應(yīng)力計(jì)算值;σtj為名義應(yīng)力測試值。F的值越趨近于1,表明粒子的適應(yīng)度越好。
3)根據(jù)(15)式計(jì)算每個粒子的適應(yīng)度,并更新個體最優(yōu)值pi和全局最優(yōu)值g.
4)根據(jù)(16)式和(17)式更新粒子位置xi和速度vi:
xi(t+1)=xi(t)+vi(t+1),
(18)
vi(t+1)=
vi(t)+c1[pi-xi(t)]+c2[g-xi(t)].
(19)
5)當(dāng)達(dá)到最大進(jìn)化次數(shù)M后停止迭代,否則返回步驟2進(jìn)行新一輪迭代。
采用PSO-牛頓迭代法,得到橡膠與簾線相互作用的應(yīng)變能函數(shù)參數(shù)l、m以及n分別為7.832 6、-1.389 0 MPa、0.325 9 MPa.
簾線偏角為15°時單軸拉伸數(shù)據(jù)、擬合與仿真結(jié)果如圖7所示。
圖7 簾線偏角為15°時單軸拉伸數(shù)據(jù)、擬合與仿真結(jié)果Fig.7 Test data,fit and simulation curves of 15° off-axis tension
根據(jù)(5)式、(6)式和(11)式以及擬合所得模型參數(shù),可以得到橡膠- 簾線復(fù)合材料本構(gòu)模型。為驗(yàn)證該模型的正確性,分別對簾線偏角為45°和60°的單軸拉伸試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測,結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可以看出,模型預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢基本一致,決定系數(shù)R2分別為0.992 8和0.982 9,預(yù)測效果較為理想。
圖8 簾線偏角為45°時單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)、預(yù)測與仿真結(jié)果Fig.8 Test data,prediction and simulation curves of 45° off-axis tension
圖9 簾線偏角為60°時單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)、預(yù)測與仿真結(jié)果Fig.9 Test data,prediction and simulation curves of 60° off-axis tension
為考察本文所提像膠- 簾線復(fù)合材料本構(gòu)模型在有限元仿真中的適用性,并進(jìn)一步驗(yàn)證模型的正確性,基于該模型,利用Abaqus軟件UANISOHYPER-INV接口定義材料屬性,分別對簾線偏角為15°、45°和60°的單軸拉伸試驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值仿真。
根據(jù)試樣尺寸和試驗(yàn)條件建立仿真模型,其中夾持一端采用固定約束,另一端沿拉伸方向設(shè)置位移載荷。根據(jù)應(yīng)變量設(shè)定不同的拉伸位移,得到仿真應(yīng)力云圖如圖10所示。提取應(yīng)力和應(yīng)變仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比(見圖7~圖9)。提取不同簾線偏角下試樣的橫向剛度仿真結(jié)果,結(jié)果如圖11所示,并計(jì)算其平均值和方差,如表1所示。
表1 不同簾線偏角下試樣橫向剛度的平均值和方差Tab.1 Mean and variance of lateral stiffness of specimens with different off-axis angles
圖10 不同簾線偏角下試樣的單軸拉伸仿真結(jié)果Fig.10 Simulated results of specimens with different off-axis angles
圖11 不同簾線偏角下試樣橫向剛度的仿真結(jié)果Fig.11 Lateral stiffnesses of specimens with different off-axis angles
由圖7~圖9可見,仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢基本一致,最大仿真誤差分別為5.05%、10.86%和8.79%,在可接受范圍內(nèi)。分析誤差產(chǎn)生的原因主要有以下4點(diǎn):1)由圖8和圖9可以看出,基于簾線偏角為90°、0°和15°單軸拉伸數(shù)據(jù)擬合得到的模型參數(shù)在預(yù)測簾線偏角為45°和60°試驗(yàn)數(shù)據(jù)時存在應(yīng)力值偏大的現(xiàn)象,使用該模型及其參數(shù)定義材料屬性時,勢必將此誤差引入有限元仿真中。2)橡膠材料具有Mullins效應(yīng),雖然在試驗(yàn)前對試樣進(jìn)行了預(yù)加載等處理,但仍無法完全消除其影響;而本文模型沒有考慮橡膠材料的Mullins效應(yīng),因此基于該模型的有限元仿真無法完全反映試樣實(shí)際變形情況。3)為消除預(yù)加載產(chǎn)生的殘余變形,需要對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,這也會引入一定誤差。4)為避免出現(xiàn)不收斂問題,對有限元模型進(jìn)行了一定程度的簡化,例如采用固定約束將夾具與試樣固聯(lián)。但在實(shí)際試驗(yàn)時,雖然采取涂抹松香等措施,夾具與試樣間仍存在輕微滑移。
結(jié)合單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖10、圖11和表1可知,對于指定應(yīng)變條件下的橡膠- 簾線復(fù)合材料,當(dāng)簾線偏角較小時,橡膠- 簾線復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和縱向剛度較大,橫向剛度均值較小且波動較大,此狀態(tài)下應(yīng)力主要沿簾線方向分布,簾線偏角對橡膠- 簾線復(fù)合材料的變形影響較大。隨著簾線偏角逐漸變大,橡膠- 簾線復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和縱向剛度減小,而橫向剛度趨于穩(wěn)定且均值逐漸增大,此狀態(tài)下應(yīng)力分布較為均勻。由上述分析可以看出,當(dāng)應(yīng)變條件一定時,簾線偏角大小是影響橡膠- 簾線復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和剛度的關(guān)鍵因素,合理設(shè)計(jì)橡膠履帶的簾線偏角能夠使其在提供足夠縱向拉伸強(qiáng)度的同時,保持較好的橫向剛度穩(wěn)定性,從而提高橡膠履帶性能。
此外,通過仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析表明,本文建立的橡膠- 簾線復(fù)合材料本構(gòu)模型能夠較好地應(yīng)用于有限元仿真,也為下一步開展橡膠履帶式裝備的有限元分析研究奠定了基礎(chǔ)。
本文以橡膠履帶為研究對象,對具有不同簾線偏角的橡膠- 簾線試驗(yàn)進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn),研究了簾線偏角對其材料力學(xué)性能的影響。在此基礎(chǔ)上,基于纖維增強(qiáng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論,建立了一種適用于橡膠履帶柔性復(fù)合材料的各向異性超彈性本構(gòu)模型。得到主要結(jié)論如下:
1) 簾線偏角是決定橡膠- 簾線復(fù)合材料強(qiáng)度和剛度的關(guān)鍵因素。當(dāng)簾線偏角較小時,簾線偏角對材料力學(xué)性能的影響較為顯著,材料的拉伸模量隨簾線偏角的增大而減小。當(dāng)簾線偏角較大時,簾線偏角對材料力學(xué)性能的影響逐漸減小。
2) 考慮橡膠與簾線剪切作用所建立的各向異性超彈性本構(gòu)模型,能夠準(zhǔn)確反映橡膠- 簾線復(fù)合材料在拉伸變形下的力學(xué)行為。同時,基于PSO-牛頓迭代法提出的模型參數(shù)尋優(yōu)擬合方法能夠較為準(zhǔn)確地得到模型參數(shù)。
3) 利用Abaqus軟件的UANISOHYPER-INV子程序進(jìn)行的單軸拉伸仿真結(jié)果表明,仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢基本一致,最大仿真誤差約為10.86%,進(jìn)一步驗(yàn)證了所建模型的正確性和有效性。本文模型為橡膠履帶工程設(shè)計(jì)和相關(guān)裝備的有限元分析奠定了理論基礎(chǔ)。