ТОП 10:

Расчетные и экспериментальные методы и прогнозирование работоспособности. Основные принципы



 

Основные принципы, соблюдение которых считалось необходимым для обеспечения прогнозирования поведения в эксплуатации резиновых и резинокордных изделий, были сформулированы в общем виде достаточно давно. Большая часть из них осталась актуальной и в настоящее время, некоторые задачи решены, а некоторые принципы, видимо, не выдержали проверки временем. Начнем обзор этой части работ со статей [[112], [113], [114]], в которых описано состояние в этой области до 1958 года.

В работе [112] априори формулируется утверждение о том, что усталостная работоспособность, понимаемая как число циклов до разрушения, целиком определяет эксплуатационные качества материала, работающего в условиях многократного нагружения. Поэтому каждая резина с новой рецептурой обязана подвергаться усталостным испытаниям. Однако здесь возникает существенная проблема, заключающаяся в том, что сравнительные испытания усталостной работоспособности, осуществляемые разными методами, нередко дают противоречивые результаты. Далее приводятся определения, описывающие различные условия процесса усталостного утомления. Перечислены трудности методической реализации, к которым в первую очередь следует отнести релаксационный вязкоупругий характер механических свойств эластомеров, нелинейность их деформационных свойств и процессы химического старения, приводящие к существенной зависимости результатов усталостных испытаний от условий их проведения. Сделан вывод о нецелесообразности использования при испытаниях резин понятия «предел усталости», который по причине нечеткости его определения вполне может быть поглощен понятием «усталостная прочность». В работах [112, 113] описаны методы усталостных испытаний, которые можно разделить на следующие группы:

1. испытания в условиях многократного растяжения;

2. испытания в условиях знакопеременного изгиба, реализующегося при несоосном вращении;

3. испытания при многократном знакопеременном простом сдвиге;

4. испытания при многократном сжатии;

5. испытания кольцевых образцов в условиях контактного утомления.

В методах (2) и (5) реализуется существенно неоднородное НДС, в остальных неоднородности связаны с влиянием зажимов. В каждом из методов можно реализовать условия заданных максимальных нагрузок или деформаций за цикл. Приведены простые соотношения, связывающие степенным законом энергию деформации с величиной деформации. Описано устройство испытательного оборудования. Обосновываются требования к сравнительным испытаниям на работоспособность. Цель этих испытаний – установить, насколько большей или меньшей работоспособностью в изделии будет обладать данная резина по сравнению с эталонной, эксплуатационное поведение которой известно. Подчеркнуто, что сравнительные испытания необходимо проводить таким образом, чтобы совокупность внешних условий при испытании образцов (в первую очередь механический и тепловой режимы) соответствовала условиям работы резины в изделии. Для пересчетов между разными режимами (заданных деформаций, напряжений и энергий) требуются результаты динамических испытаний, для проведения которых рекомендуется использовать те же образцы, что и в усталостных испытаниях (например, гантели в случае знакопеременного изгиба), или кольцевые образцы. Несоответствие НДС гантелей и кольцевых образцов компенсируется, по мнению авторов, импульсным режимом нагружения последних, более приближенным к реальным условиям, чем синусоидальный режим нагружения гантелей. Приводятся простые соотношения для расчета температуры испытаний, полученные приближенно с использованием динамических характеристик резины. В качестве итога по этой части работы [113] рекомендуется следующая последовательность операций при проведении сравнительных испытаний брекерных резин:

1) определить показатель гистерезиса К/Е опытной резины при температуре 800С (с помощью приборов для динамических испытаний резины при качении или при знакопеременном изгибе [[115], [116]]);

2) вычислить расчетную температуру испытания

;

3) определить динамический модуль при расчетной температуре (приборы те же);

4) вычислить расчетную деформацию испытания

;

5) определить работоспособность опытной резины в условиях знакопеременного изгиба при деформации и температуре Т1 (машина для усталостных испытаний при знакопеременном изгибе);

6) сопоставить полученное значение работоспособности (в циклах до разрушения) с соответствующими значениями работоспособности эталонной резины, поведение которой в изделии изучено.

(Соотношения, используемые в п.п. 2 и 4, выведены в [112]).

Смысл предложенной последовательности операций состоит в том, что на основе упрощенной модели сделана попытка реализовать на образцах реальные «шинные» условия. Общая идея представляется вполне конструктивной, однако, уровень ее реализации недостаточен. Основные источники погрешности связаны с использованием в виде константы модуля резины E, который, как показано выше, существенно зависит от деформации, а также с игнорированием реального НДС в деталях шины. Недостаточно точно рассчитывается температура испытания. Используемый критерий равенства энергии деформирования в шине и образце также недостаточно аргументирован.

Все указанные трудности не являлись для авторов неожиданными. Свидетельством этому служит заключительная часть цитируемой работы, где предлагается количественную оценку работоспособности проводить в лабораторных условиях на модельных образцах, в которых воспроизводятся все основные условия работы материала в изделии. Для реализации этой задачи предлагается изготовить геометрически подобную уменьшенную модель шины, для которой выбрать режим испытаний, подобный режиму эксплуатации реального изделия. Принцип подобия должен быть осуществлен как для НДС образца, так и для температурного поля в нем. Обсуждается ряд факторов, могущих исказить результаты испытаний. К ним относятся: масштабный фактор, влияющий на прочностные характеристики; частотная зависимость разнашиваемости и других свойств, связанная с необходимостью изменять частоту нагружения модели для обеспечения необходимого температурного режима; процессы старения. В заключение работы [112], которую вполне можно назвать программной, еще раз делается акцент на необходимость воспроизведения в лабораторных условиях не только НДС и температуры, но и условий старения, характерных для исследуемой детали шины.

Время показало, что основные сформулированные идеи оказались верными. В то же время не все поставленные задачи решены к настоящему времени. Не получила развитие идея создания модельных шин уменьшенного размера по причине трудоемкости. Не удалось добиться воспроизведения на образцах требуемых условий нагружения. При разработке новых брекерных резин усталостные испытания не проводят в среде с ограниченным доступом воздуха. И, наконец, следует привести слова из [113]: «На практике показано, что до сего времени единственной надежной характеристикой работоспособности резины в изделии являются результаты эксплуатационных испытаний. Причиной несоответствия между данными лабораторных испытаний резины и ее поведением в изделии является несопоставимость динамических режимов, реализующихся в лаборатории и эксплуатации». И далее: «Из приведенного обзора следует, что необходимость разработки таких методов наиболее очевидна применительно к испытаниям на усталостную работоспособность».

В работе [114] изложены основные принципы разработки методов определения прочности связи между слоями резины и между резиной и кордом в динамических условиях. Во введении указано, что большое число разработанных к тому времени методов (1957 г.) вызвано не только широким ассортиментом резиновых многослойных изделий и разнообразием условий их работы, но также и отсутствием корреляции между данными лабораторных испытаний и эксплуатационными показателями. Последнее замечание не потеряло свою актуальность и в настоящее время.

Первое требование (см. также [[117]]) заключается в следующем: необходимо выбирать такие условия испытания, которые по возможности соответствовали бы эксплуатационным. Обоснование этого требования заключается в отсутствии в то время единой теории прочности связи. Следует отметить, что и в настоящее время отсутствует теория усталостной прочности РКК, которая позволила бы на основании результатов простых лабораторных испытаний прогнозировать работоспособность резинокордных деталей в условиях эксплуатации. Указанное требование следует признать актуальным и теперь. Здесь же указано, что важно с требуемой точностью знать условия нагружения в шине. В этой области достигнут значительный прогресс, о чем будет сказано ниже.

Второе основное требование авторы работ [114, 117] формулируют так: «следует выбирать такую конструкцию образца, чтобы стык дублированных материалов находился в наиболее напряженном состоянии, т.е. разрушался в первую очередь. Это дает возможность определять прочность связи, а не прочность многослойной конструкции в целом».

Это требование представляется недостаточно аргументированным по следующим причинам. Не ясно, что понимается под «наиболее напряженным состоянием». Это могут быть максимальные напряжения, максимальные деформации или максимальные энергии, или, вообще говоря, любая функция от перечисленных показателей. В разных условиях разные величины могут быть критическими, т.е. определять работоспособность. Более того, не ясно, всегда ли можно создать такие условия, чтобы разрушение шло строго по стыку? Если, например, стык при всех возможных условиях нагружения прочнее (в том числе и по усталостной прочности), чем стыкуемые материалы, то добиться разрушения по стыку невозможно в принципе. Далее, с практической точки зрения важно знать, где произойдет разрушение в исследуемой детали шины или другого резинотехнического изделия в реальных условиях эксплуатации, а не создавать искусственные условия для разрушения стыка. Даже если и удастся создать такие условия, то остается открытым вопрос: а что будет в эксплуатации? Если в искусственных условиях разрушился стык, то в соответствии с обоснованием первого требования к методам испытаний, что-либо определенное о поведении в эксплуатации сказать затруднительно. Поэтому второе требование предлагается сформулировать в виде: «следует выбрать такую конструкцию образца, чтобы она позволяла в максимальной степени выполнить первое требование. Это дает возможность определять в резинокордном композите слабое место».

Принципиально важным является утверждение о необходимости отказа от линейной теории упругости. К сожалению, эта, безусловно, актуальная рекомендация (см. введение к этой главе) не нашла должного развития в применении к шинным проблемам. До сего времени НДС шин в отечественной практике часто рассчитывают с использованием закона Гука (о некоторых попытках учета нелинейности будет сказано ниже).

Последнее, третье, требование авторы связывают с необходимостью соблюдения условий химического старения в лабораторных испытаниях. Для этого предлагается проводить не малоцикловые, а длительные усталостные испытания. Здесь же говорится о том, что длительные усталостные испытания приводят к большему разбросу показателей, чем малоцикловые. Это утверждение дается без ссылок и аргументируется чисто умозрительно.

Методически важным является утверждение о том, что большая статическая прочность связи материалов, входящих в многослойную систему, является обязательным, но недостаточным условием для обеспечения хорошей прочности связи при многократных деформациях. Прямая зависимость между статической и динамической прочностью связи отсутствует, что хорошо известно из практики.

В качестве подтверждения предыдущего утверждения приводятся результаты испытаний на разрыв и раздир (расслоение) предварительно утомленных образцов, включающих стык двух разных резин. Показано, что граница разрушения после утомления меняет свое положение, например, переходит со стыка в массив резины. Тот же вывод сделан и для испытаний на многократное сжатие образцов со стыком. Приведены выражения для напряжений в образцах в различно ориентированных плоскостях.

В заключение признается, что имеется некоторая противоречивость в основных требованиях, которые предъявляются при установлении методики испытаний на прочность связи. Однако следующий шаг не делается – авторы не отказываются от требования обязательности разрушения по стыку. Это, как было обосновано выше, является излишним требованием. Забегая вперед, отметим, что и в дальнейших работах такой шаг не был сделан, что послужило серьезным препятствием на пути создания адекватных методов лабораторной оценки работоспособности резинокордных деталей шины. Хотя авторы анализируемой статьи и делают оговорку, что в случае невозможности обеспечить разрушение по стыку следует отдать предпочтение режимам, приближенным к эксплуатационным.

Также весьма важной представляется рекомендация выбора образцов для испытаний с высокой степенью однородности НДС. Эта рекомендация во всех последующих работах осталась без внимания, хотя ее важность очевидна. Наконец, заключительная фраза говорит о том, что все указанные требования могут измениться, когда будет создана единая физико-химическая теория прочности связи, на основании которой может быть изыскана возможность замены динамических методов определения прочности связи определением комплекса более простых показателей.

Резюмируя изложенное, следует отметить фундаментальную роль представлений, обобщенных в [112-114], во всем процессе развития методологии прогнозирования работоспособности резин и РКК в последующие годы вплоть до настоящего времени. Все дальнейшие исследования, на которых мы остановимся в предлагаемом обзоре, в той или иной степени представляют собой развитие этих идей.

Рассмотрим кратко существующие расчетные и экспериментальные методы, позволяющие с той или иной точностью определять напряжения и деформации в различных деталях шины.

Задача определения НДС материала в шине довольно сложна и до сих пор не имеет строгого решения. В настоящее время разработано множество экспериментальных и расчетных подходов к данной проблеме.

Обзор современных методов экспериментального определения деформаций и напряжений в шине дан в работах [[118], [119], [120]]. Наибольшее распространение для определения НДС материала в шине получили четыре метода.

Метод тензометрии. Основан на применении тензодатчиков (проволочные, фольговые, полупроводниковые). Для измерения деформаций в шинах разработаны специальные типы тензодатчиков, позволяющих измерять большие деформации без существенного стеснения деформации резины [[121], [122]]. При определении деформаций шины тензометры наклеивают на исследуемый участок шины в различных направлениях (обычно окружное направление, меридиональное и под 45°). Наибольшее распространение получили резинопроволочные тензометры, которые с успехом применяются для измерения деформаций на поверхности боковой стенки и каркаса легковых шин [[123]].

Метод фотоупругости. Важной с практической точки зрения является фотоупругость анизотропных тел [[124]], законам которой подчиняются композиты, в частности, армированные материалы. Метод фотоупругости может быть использован для моделирования задач микро- и макромеханики композитов, к которым относятся РКК. Основан на явлении фотоупругости прозрачных полиуретанов и других подобных материалов [[125], [126], [127], [128]]. Заключается в том, что величина двулучепреломления, вызванная оптической анизотропией, обусловленной величиной приложенных напряжений, подчиняется закону Брюстера. Важной особенностью прозрачных эластомеров является возможность их применения для анализа больших деформаций (до 100% и выше). При этом используются нелинейные зависимости между деформациями и напряжениями [[129], [130]]. Данный метод может применяться для определения напряжений и деформаций шин, изготовленных из полиуретана [[131]], а также для определения напряжений на поверхности натурных шин методом фотоупругих покрытий [[132]].

Метод «замораживаемых» вклеек. Наиболее перспективный экспериментальный метод определения НДС в различных деталях шины. Основан на фотоупругости материалов холодного отвердения. Данный метод позволяет определять напряжения во внутренних зонах натурных шин [118, [133], [134], [135]]. В резиновых элементах натурной шины делают полости, которые заливают фотоупругим материалом холодного отвердения. В процессе полимеризации жесткость материала вклейки увеличивается. Шину с вклейкой нагружают на стенде в момент, когда жесткость недополимеризованного материала вклейки становится равной жесткости окружающей резины, и полимеризуют вклейку окончательно под нагрузкой. После завершения полимеризации вклейку извлекают из шины, просвечивают в полярископе и по картинам полос интерференции определяют деформации и напряжения. Получаемые с помощью вклеек картины полос интерференции дают наглядную и подробную информацию о сложном характере распределения и концентрации напряжений в наиболее нагруженных зонах шины. Кроме напряжений во вклейках фиксируются перемещения и кривизна профиля шины под нагрузкой, которые также интересуют конструкторов шин.

Бесконтактные оптические методы. Полезные результаты позволяют получить методы муаровых полос с проектированием изображения сетки или двух сеток на поверхность детали [[136], [137]]. Наблюдаемые картины муаровых полос дают информацию о форме шины и изменении формы под действием нагрузки. Изменяя частоту проектируемой сетки и параметры оптической схемы установки можно в широком диапазоне изменять чувствительность измерений. Также бесконтактным является и метод голографической интерферометрии, позволяющий по картинам полос интерференции, получаемым при освещении поверхности когерентным излучением лазера, определять форму поверхности шины и изменения формы при нагружении [[138]].

Изучение механики шин расчетными методами связано с преодолением практически всех возможных трудностей, встречающихся в данном классе задач для всех известных материалов и изделий. Шина – изделие сложной конструкции, испытывающее большие деформации, требующие учета геометрической и физической нелинейности. Она состоит из большого числа разнородных материалов, каждый из которых характеризуется ярко выраженной термовязкоупругостью и существенной склонностью к старению разных видов под действием внешних воздействий. Условия работы шины – усталостное нагружение в импульсном несинусоидальном режиме. Расчет обязан учитывать динамические эффекты. Для учета внешнего силового воздействия требуется решение контактной задачи. Применительно к резинокордным деталям наиболее важным выходным параметром является работоспособность, т.е. число оборотов (километров), которое выдержит шина до разрушения в заданных условиях эксплуатации. Все сказанное позволяет заключить, что более сложной неразборной детали, чем шина, видимо, не существует с точки зрения расчета ее выходных характеристик.

В расчетных методах определения НДС элементов шин используются следующие модели.

Кольцо на упругом основании.

Модель используется для решения неосесимметричной задачи обжатия шины на плоскость или неровную поверхность [[139], [140], [141], [142]]. В качестве исходных данных используются реальные геометрические характеристики шины и показатели свойств материалов (в линейном приближении). На первом этапе [139] была решена контактная задача для модели радиальной шины, обжатой на плоскость вертикальной нагрузкой, но без учета кривизны шины в поперечном сечении. В [140] указанный недостаток был исправлен. В [141, 142] описан пакет прикладных программ, позволяющих реализовать на практике предложенную теорию. Все расчеты велись с предположениями: 1) Поперечная кривизна беговой дорожки мала. 2) Каркас и брекер нерастяжимы в меридиональном направлении. 3) Все деформации симметричны относительно перпендикуляра, проходящего через центр пятна контакта. Кроме указанных, использован ряд других предположений, огрубляющих реальную картину, но вполне приемлемых на фоне простоты самой модели. Хотя расчет на основе кольцевой модели позволяет выявить целый ряд важных характеристик шины (радиальная и боковая податливость, радиус качения, и др.), он не дает достаточной информации о напряженном состоянии элементов шины. Поэтому необходимо развивать и расчеты, базирующиеся на реальной структуре шины как оболочки.

Криволинейная балка.

Метод основан на представлении боковой стенки шины в виде криволинейного стержня переменного сечения [[143]]. В расчетном методе использована математическая модель криволинейной балки переменного сечения с применением кинематической гипотезы Тимошенко. Поставленная краевая задача геометрически нелинейна. Для её решения был применен шаговый метод с решением на каждом шаге линейной задачи. Предложенная модель описывается системой линейных дифференциальных уравнений шестого порядка с переменными коэффициентами. Проведенные по разработанной теории расчеты подтверждены экспериментально [[144]].

Многослойные анизотропные оболочки.

Для анализа напряженного состояния радиальной шины в странах СНГ наибольшее распространение получила модель в виде многослойной, в частности, трехслойной оболочки [90, [145]]. Первоначально данная модель была использована для решения осесимметричной задачи [[146]]. Анализ состояния шин при неосесимметричных эксплуатационных нагрузках весьма сложен. Как правило, для его реализации привлекаются упрощающие предположения. В работах [94, [147]] для решения задачи обжатия шины на поверхность дороги и задачи стационарного качения обжатой шины использовалась приближенная теория трехслойных оболочек. Основное упрощение заключалось в линеаризации «точных» геометрически нелинейных уравнений в окрестности состояния шины, вызванного внутренним давлением. В работе [[148]] уточнение напряженного состояния, возникающего при обжатии шины, в области с большими перемещениями проводится с использованием метода конечных элементов. Экспериментальная проверка результатов, получаемых с помощью теории трехслойных оболочек, приведена в работе [[149]]. Представленные результаты свидетельствуют о том, что данный метод расчета радиальных шин обеспечивает приемлемую для практических целей точность. Уточнение может быть сделано, например, путем учета изгибных жесткостей многослойного каркаса и брекера [147].

В работах [[150], [151]] показано, что модель трехслойной анизотропной оболочки может с успехом применяться для анализа напряженно-деформированного состояния радиальных крупногабаритных шин с учетом температуры разогрева при качении. Это позволяет корректировать конструкцию шины так, чтобы произошло повышение прогнозируемого ресурса и улучшение прочностных свойств шины при повышенных температурах.

Авторы работ [[152], [153]] полагают, что получивший распространение в зарубежной практике экстенсивный путь расчета шин на основе пространственной теории упругости за счет повышения дискретности представления шины в модели МКЭ имеет значение при проведении контрольных расчетов уже спроектированных шин с целью окончательной отработки их конструкции. Начальный же этап проектирования следует осуществлять по быстродействующим программам, в основу которых положены различные по сложности оболочечные модели, ориентированные на использование персональных компьютеров. Приведено решение контактной задачи для многослойной анизотропной оболочки вращения. Описаны алгоритмы, представлены расчетные формулы и результаты моделирования четырехслойной шины диагональной конструкции при ее обжатии на жесткое основание. Показано, что влияние анизотропии на напряженное состояние шины существенно, а на распределение контактного давления и размеры пятна контакта – не существенно.

Уравнения теории упругости.

Данный метод относится к методам трехмерного моделирования. С точки зрения механики шина представляет собой резинокордный композит, для моделирования которого следует применять математический аппарат механики композитов. В работе [[154]] представлен метод, в котором для моделирования квазистатического и динамического нагружения шины используются уравнения нелинейной теории упругости. Такое моделирование обладает определенными достоинствами, например, отсутствие гипотез, используемых в теории оболочек. Метод пригоден для неоднородных, например, слоистых анизотропных тонкостенных тел. Точность численной реализации за счет увеличения числа узлов меньше зависит от толщины и внутренней структуры. Кроме того, для численного решения уравнения упругости второго порядка проще, чем уравнения теории оболочек.

Естественно, что при численной реализации трехмерного моделирования необходимо преодолеть определенные трудности. Основная трудность на пути решения трехмерных задач для тонкостенных тел состоит в разработке эффективного по скорости алгоритма решения трехмерных разностных уравнений. Эта задача осложняется малой сжимаемостью резины, что ухудшает обусловленность разностных уравнений. В работе [93] приводятся основные моменты методики численного моделирования НДС шины при нагружении внутренним давлением, совместно внутренним давлением и вертикальной нагрузкой в статике и при стационарном качении, а также описывается динамическая задача определения НДС при распространении малых возмущений, вызванных импульсной нагрузкой.

Метод конечных элементов.

В настоящее время метод конечных элементов (МКЭ) широко применяется для расчета НДС и выходных характеристик пневматических шин [[155]]. Популярность МКЭ обуславливается тем, что этот метод позволяет исследователю и конструктору шин анализировать практически любые изменения конструкции шины и максимально приблизить математическую модель к реальным объектам. Одной из основных проблем при применении МКЭ являются ограничения по мощности ЭВМ и затратам машинного времени. Время счета увеличивается в степенной зависимости от числа элементов (или степеней свободы) модели, поэтому с ростом их числа быстро наступает предел возможности компьютера, после которого достижение практических результатов становится проблематичным [92]. Данный метод дает возможность моделировать НДС шины, находящейся под действием внутреннего давления и локальной нагрузки, а также определять потери механической энергии в элементах шины при её качении, что позволяет рассчитывать поля температур по массиву шины [12, [156], [157]].

Комплексный макро - микромеханический подход.

В цикле работ [[158], [159], [160], [161], [162], [163]] предложен новый подход к механике деформирования резинокордных композитов при больших деформациях. Композитная среда рассматривается на двух связанных уровнях анализа – микромеханическом и макромеханическом. На микромеханическом уровне анализа формируются микрокраевые задачи для узловых структурных блоков, решение которых позволяет не привлекать эффективные определяющие соотношения среды. Структурный блок представляет собой резинокордную ячейку (объем представления материала), внутренние поля в элементах структуры которого определяются из решения соответствующей микрокраевой задачи. Граничные условия микрокраевой задачи задаются на базе информации о значениях компонент макроскопической деформации по месту данного блока в исследуемой среде. Макроскопическая деформация среды определяется как производная поля макроскопических перемещений среды, которое играет роль исходного понятия теории.

В итоге решается задача глобального (макромеханического) описания деформирования композитной среды регулярного строения, когда грани ее структурных блоков испытывают локальные искривления вместе с изломами на границах раздела матрицы с волокнами (кордом). Механические свойства материалов матрицы и волокон задаются в виде произвольных упругих потенциалов. Микро - макромеханический подход включает и возможности проведения исследования среды с реологическими свойствами составляющих компонентов, а также в условиях внутренней потери устойчивости композитного материала среды.

В данном цикле работ приведены результаты микро - макромеханического анализа резинокордных композитов с одной, двумя и тремя системами армирования (с однонаправленной, перекрестной и трехнаправленной схемами армирования) при больших деформациях компонентов структуры. Представлены результаты исследования резинокордных оболочек при больших перемещениях и деформациях на базе простейшего варианта теории, не включающей микромеханический (локально-структурный) уровень анализа.

Следует отметить, что такой подход является новым шагом на пути развития методов компьютерного моделирования НДС сложных композитных объектов, поведение которых существенно нелинейно во всей области деформирования. Сочетание макро- и микромеханического анализа дает новые возможности расчета НДС таких изделий, как пневматическая шина. Актуальность постановки и реализации подобной задачи определяется отсутствием в настоящее время расчетных методов, поддающихся реализации на современных доступных вычислительных комплексах и достаточно подробно описывающих НДС в наиболее опасных местах, например, между нитями корда в резинокордных слоях или между слоями. Предложенный метод при его программной реализации применительно к массовому ассортименту современных шин позволит на порядок и более сократить расчетное время при сохранении точности по сравнению с возможностями прямого использования метода конечных элементов. Существенным является также то, что для описания нелинейных упругих свойств резин могут быть использованы определяющие соотношения в виде упругих потенциалов произвольного вида.

К настоящему времени разработан целый ряд стандартизованных и не стандартизованных методов определения показателей физико-механических свойств резин, которые используют для оценки эксплуатационного качества резинотехнических изделий и шин [14, [164], [165], [166], [167], [168], [169], [170]].

По своему назначению методы механических испытаний авторы работы [14] предлагают разделить на три группы: общие (физические), специальные, контрольные.

Общие или физические методы дают возможность получить показатели, имеющие ясный физический смысл и позволяющие наиболее полно и объективно характеризовать некоторые свойства испытуемого материала в условиях определенного однородного НДС. Особенностью физических методов является сравнительная простота режимов нагружения, необходимая для количественного учета роли напряжения, деформации, температуры и времени воздействия при испытании. Показатели, получаемые этими методами, могут служить не только для сравнительной оценки, но и в качестве абсолютных характеристик материала.

Специальные методы строятся с учетом особенностей режимов переработки материалов или эксплуатации изделия. Авторы [14] считают, что, как правило, эти режимы достаточно сложны и не поддаются строгому анализу. Показатели, получаемые этими методами, следует считать условными и пригодными лишь для сравнительной оценки материалов, предназначенными для конкретных условий переработки или эксплуатации. Однако и в данном случае имеется возможность получать характеристики, которые имеют конкретный физический смысл и являются абсолютными характеристиками материала. Для этого требуется определить НДС материала в испытуемых образцах и привязать показатели свойств резин к конкретным условиям нагружения, возникающим при испытании образца. Современный уровень развития методов математического моделирования позволяет с высокой точностью рассчитывать НДС в образцах практически произвольной формы, что дает возможность, изменяя параметры образца получать характеристики материала в условиях сложного НДС. Переход методов испытаний из разряда специальных в разряд физических будет определяться однородностью НДС, возникающего в образце при его нагружении.

Практическая ценность определяемых показателей зависит от того, в какой мере достоверно воспроизводятся основные, наиболее характерные черты эксплуатационного режима. Надо, однако, отдавать себе отчет в том, что моделирование эксплуатационного режима при испытании образцов в большинстве случаев может быть проведено лишь весьма приближенно. Поэтому необходимо проводить отбор и учет факторов, наиболее сильно влияющих на результаты испытания материалов в условиях, моделирующих эксплуатацию изделия.

Контрольные методы предназначены для испытаний различных партий (образцов) одного и того же материала и служат для обнаружения нежелательных отклонений свойств контролируемого материала от заданных норм или показателей, получаемых на материале удовлетворительного качества. В качестве контрольных методов могут выступать как физические, так и специальные методы. Очевидно, что более достоверная оценка отклонения свойств материала от заданных норм будет достигнута в случае использования методов испытаний, которые учитывают условия эксплуатации материала в готовом изделии. Однако для контроля качества материалов не обязательно проводить их испытания в условиях, приближенных к реальным, так как гарантировать стабильность свойств материала можно по комплексу показателей, определяемых стандартными методами.

Приведенная классификация представляется вполне соответствующей изложенным выше представлениям о методах оценки работоспособности. Однако она не является завершенной и потому не реализована в полном объеме. Неясно, в частности, как следует строить специальные методы испытаний, чтобы они могли прогнозировать эксплуатационные характеристики готового изделия? Как понять и практически реализовать утверждение о том, что из расчета НДС образцов практически любой формы можно получить физические свойства материала? Безусловно, верно требование однородности, но как его реализовать и оценить? На указанные вопросы у авторов [14] нет ответа. Это, по нашему мнению, послужило причиной того, что к настоящему времени разработано большое число методов, каждый из которых претендует называться специальным, но не имеет количественной оценки степени приближения к реальным условиям нагружения.

В этой связи следует остановиться на цикле многолетних исследований, обобщенных в работах [[171], [172], [173]]. Автор указанных публикаций и многих других, имеющихся в ссылках данных обзоров, справедливо исходит из того, что лишь по результатам усталостных испытаний можно делать выводы о качестве резин и РКК. Также не вызывают сомнений утверждения о том, что необходимо проводить испытания резиновых и резинокордных образцов в тех же температурных и климатических условиях, которые реализуются при эксплуатации шины, с учетом соответствующих условий старения. Тем самым автор как бы разделяет сформулированную его предшественниками [112-114] концепцию о необходимости воспроизведения реальных условий при испытаниях образцов.







Последнее изменение этой страницы: 2017-02-08; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.234.241.200 (0.019 с.)