專利名稱：一種模擬全鋼子午線輪胎硫化過程的方法
技術領域：
本發明涉及一種全鋼子午線輪胎硫化過程的模擬方法，實現全鋼子午線輪胎在平板硫化機內硫化的計算機模擬，精確預測出輪胎內部每一點的溫度和硫化程度變化情況。
背景技術：
傳統的輪胎硫化方法是通過熱電偶測出胎肩、胎圈、胎冠等輪胎內部關鍵部位的溫度，再應用動力學模型把各點溫度轉化為硫化溫度，以此確定硫化的必要時間。每次做完試驗后，必須把輪胎割開找出熱電偶的位置，因此，這種試錯方法成本高、時間長。而且，配方設計和硫化介質溫度的改變將影響輪胎硫化特性，使用之前的經驗很難預測處輪胎的硫化性能。近年來，計算機模擬已應用于輪胎硫化方法中，美國專利公開號為US 7744789B2 的專利文獻公開了一種硫化不均勻厚橡膠制品的方法，指出運用有限元法來確定像巨胎或輪胎胎冠處的硫化程度。閆相橋撰寫，Polymer Journal 2007年39卷第10期的 《NumericalModeling of Dynamic Curing Process of Tire by Finite Element》對某子午線輪胎進行了有限元模擬，對橡膠-鋼絲復合材料采用各向異性模型模擬。Nova Science 出版社出版的《Computational Materials》一書中，由 Mir Hamid Reza Ghoreishy 撰寫的 “NUMERICALSIMULATI ON OF THE CURING PROCES S OF RUBBER ARTICLES”一章，綜述了橡膠硫化有限元分析中的若干問題，并以某子午線輪胎為例，對其進行了有限元模擬。中國專利申請號為20101052^31. X.的專利文獻公開了一種模擬橡膠制品硫化的方法，運用精度較高的混合動力學模型模擬橡膠動力學特性，多維熱參數函數模擬橡膠的熱物性參數變化。但是，上述公開文獻均沒有涉及橡膠-鋼絲復合材料的導熱系數、比熱容和密度變化的描述，且未涉及對輪胎硫化系統網格快速劃分方法。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術存在的缺陷而提供一種模擬全鋼子午線輪胎硫化的方法，結合橡膠和鋼絲各導熱系數、比熱容、密度及其體積分數，通過混合定律模型來模擬橡膠-鋼絲復合材料的導熱系數、比熱容和密度變化，并根據輪胎硫化系統的特點，提出了一種快速劃分輪胎硫化系統網格的方法。本發明為實現上述目的，采用的技術方案包括如下步驟1)測量獲得輪胎中各橡膠材料的流變曲線和熱物性參數、輪胎中生膠在135°C、145°C和160°C的三種恒溫下的硫化轉矩-時間變化曲線以及水囊的熱物性參數，計算得出相應的硫化程度-時間變化關系曲線和硫化程度-硫化反應速度變化曲線，以及三種恒溫下的誘導時間；2)定義輪胎各部分材料的熱物性和/或硫化動力學特性，使用混合動力學模型定義輪胎中橡膠的硫化動力學特性；幻使用網格劃分方法對輪胎進行快速網格劃分；4)建立輪胎硫化的傳熱-化學反應耦合方程力)基于牛頓迭代法對傳熱-化學反應耦合方程進行數值計算，由測試出的硫化反應總熱量和硫化反應速率乘積確定橡膠生熱率，數值計算的時間增量定義1秒；6)獲
4取工程正硫化時間、溫度、硫化程度、硫化反應速率中至少一個與所述輪胎硫化相關的物理
化學參數。本發明通過計算機更加精確和高效地模擬輪胎硫化的傳熱過程和交聯過程，預測出輪胎內部每一點的溫度和硫化程度，這對提高輪胎產品質量、改進輪胎硫化工藝和指導橡膠配方設計具有重要的實際意義，對進行輪胎科學化的和數字化的設計具有重要的理論
眉、ο
下面結合附圖和具體實施方式
進一步描述本發明；圖1為待模擬輪胎硫化系統子午面的模擬狀態結構示意圖；圖2為本發明輪胎硫化模擬方法的流程圖；圖3為圖2中網格劃分的流程圖；圖4為待模擬輪胎硫化系統網格快速劃分的典型步驟的示意圖；圖5為判斷輪胎硫化誘導期是否結束的無量綱參數分布的等值線示意圖；圖6為典型時間點輪胎內部硫化程度分布的等值線示意圖；圖7為典型時間點輪胎內部溫度分布的等值線示意圖；圖8為輪胎內部最難硫化部位的溫度和硫化程度隨時間的變化曲線示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，待模擬的輪胎硫化系統1的子午面的模擬狀態結構包括金屬模具2、 輪胎3、金屬模具4和水囊5，輪胎3位于金屬模具2、4和水囊5之間。輪胎3還包括耐磨層6、鋼絲圈7、加強層8、墊膠9、過度膠10、胎體層11、內襯層12、胎側13、肩部墊膠14、胎冠15、帶束層16、胎冠基部膠17，此為輪胎3的公知結構。其中，加強層8、胎體層11和帶束層16為橡膠-鋼絲復合材料結構，金屬模具2、金屬模具4、鋼絲圈7為金屬結構，其余均為橡膠材料結構。在硫化時，高壓過熱水在水囊5內循環，水囊5內部過熱水在前5分鐘的水溫由180°C線性降至170°C，之后溫度保持不變；同時，高溫蒸汽在金屬模具2和金屬模具4 外表面循環，蒸汽溫度在前6分鐘保持120°C恒溫不變，后8分鐘由120°C線性升至151°C， 之后保持151°C恒溫不變，金屬模具2、4、水囊5和輪胎3的初始溫度分別為120°C、100°C和 30°C。圖1所示的待模擬輪胎硫化系統1可以是已經有的原型，也可以是假想的系統。如圖2所示，本發明輪胎硫化模擬方法是第一步是Sl步驟，通過測量獲得輪胎 3中各橡膠材料的流變曲線和熱物性參數，以及測量水囊5的熱物性參數。通過市場已有的橡膠加工分析儀RPA2000測量獲得輪胎3中生膠在135°C、145°C和160°C的三種恒溫下的硫化轉矩-時間變化曲線，并計算得出相應的硫化程度-時間變化關系曲線和硫化程度-硫化反應速度變化曲線，以及三種溫度下的誘導時間。參照流變測量結果，再取兩片生膠試樣，把它們分別硫化到硫化程度為0. 5和1，準備好未硫化橡膠、硫化程度為0. 5的橡膠和已硫化橡膠各兩片用于材料導熱系數和比熱容測量，主要試驗設備是LFA447激光擴散導熱儀和示差掃描熱象儀(DSC)；使用梯形密度柱法測量橡膠密度，交聯反應總熱量使用 DSC進行測量。水囊5的材料是已硫化橡膠，只需測出水囊5在已硫化狀態下的導熱系數、 比熱容隨溫度的變化關系，以及密度。
第二步是S2步驟，根據第一步Sl步驟中的結果，定義輪胎硫化系統1各部分材料的熱物性和/或硫化動力學特性。對于輪胎3中的橡膠材料，定義密度為常數，導熱系數和比熱容按下式定義
權利要求
1.一種模擬全鋼子午線輪胎硫化過程的方法，其特征是包括如下步驟1)測量獲得輪胎中各橡膠材料的流變曲線和熱物性參數、輪胎中生膠在135°C、145°C 和160°C的三種恒溫下的硫化轉矩-時間變化曲線以及水囊的熱物性參數，計算得出相應的硫化程度-時間變化關系曲線和硫化程度-硫化反應速度變化曲線以及三種恒溫下的誘導時間；2)定義輪胎各部分材料的熱物性和/或硫化動力學特性，使用混合動力學模型定義輪胎中橡膠的硫化動力學特性；3)使用網格劃分方法對輪胎進行快速網格劃分；4)建立輪胎硫化的傳熱-化學反應耦合方程5)基于牛頓迭代法對傳熱-化學反應耦合方程進行數值計算，由測試出的硫化反應總熱量和硫化反應速率乘積確定橡膠生熱率，數值計算的時間增量定義1秒；6)獲取工程正硫化時間、溫度、硫化程度、硫化反應速率中至少一個與所述輪胎硫化相關的物理化學參數。
2.根據權利要求1所述的一種模擬全鋼子午線輪胎硫化過程的方法，其特征是；步驟 2)中，對于輪胎中橡膠材料，導熱系數和比熱容按下式定義
3.根據權利要求1所述的一種模擬全鋼子午線輪胎硫化過程的方法，其特征是采用無量綱參數？結合Arrhenius函數描述輪胎中橡膠硫化誘導期，
4.根據權利要求1所述的一種模擬全鋼子午線輪胎硫化過程的方法，其特征是步驟 3)中的網格劃分方法是先繪出輪胎的材料分界線，再針對各部分材料創建相應平面，然后在相鄰平面交界處創建共享邊，最后在拐角處沿著材料分界線的法線方向分割平面。
全文摘要
本發明公開一種模擬全鋼子午線輪胎硫化過程的方法，先獲得輪胎中各橡膠材料的流變曲線和熱物性參數、輪胎中生膠在135℃、145℃和160℃的硫化轉矩-時間變化曲線及水囊的熱物性參數，得出相應的硫化程度-時間變化關系曲線和硫化程度-硫化反應速度變化曲線及三種恒溫下的誘導時間；再定義輪胎各部分材料的熱物性和/或硫化動力學特性，使用混合動力學模型定義輪胎中橡膠的硫化動力學特性；然后使用網格劃分方法對輪胎進行快速網格劃分；建立輪胎硫化的傳熱-化學反應耦合方程；基于牛頓迭代法對耦合方程進行數值計算；通過計算機更加精確和高效地模擬輪胎硫化的傳熱過程和交聯過程，預測出輪胎內部每一點的溫度和硫化程度。
文檔編號B29C35/02GK102218840SQ20111014354
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月30日 優先權日2011年5月30日
發明者傅乃霽, 唐文獻, 安登峰, 張建, 張鑫, 王勇, 王國林, 王曉娟, 蘇世杰 申請人:江蘇科技大學