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专利名称：用于模拟橡胶材料的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于模拟橡胶材料的方法，该方法有助于橡胶材料的变形分析，该橡胶材料包括基质橡胶、二氧化硅、以及以高精确度将它们粘结在一起的界面粘合剂。
背景技术：
在用于轮胎、运动产品、以及其他工业产品的橡胶材料中，传统上大量地使用碳以提高橡胶材料的机械特性。近年来，大量地使用二氧化硅以代替碳。这是因为二氧化硅化合物与碳化合物相比具有更低的能量损耗，于是，例如这有助于降低轮胎的滚动阻力并改善燃料效率。此外，二氧化硅是非石油资源，并且是环境友好的填料。因此，对混入了二氧化硅的橡胶材料的变形进行高精确度的计算机模拟分析对于未来的轮胎开发等是非常有益的。近年来，已知如下非专利文献I和专利文献I公开了用计算机模拟橡胶材料的方·法。专利文献I公开了使用有限元法的变形计算，其中用可数值分析的元素模型化的基质模型和填料模型被设定为橡胶材料模型，该模型化考虑了填料的影响。相关文献专利文献专利文献I:日本专利公开3668238。非专利文献l:Ellen M. Arruda and Marry C. Boyce, 〃用于橡胶弹性材料的较大拉伸行为的三维结构模型〃，Journal of the Mechanics and Physics of Solids Volume41，Issue 2，pp. 389-412(1993 年 2 月)。

发明内容
本发明要解决的问题如图15所示，在模拟混入了二氧化硅的橡胶材料时，橡胶材料模型20被使用，该橡胶材料模型包括用于模型化橡胶基质的基质模型21 ;被设置在基质模型中的以方差几何方式模型化二氧化硅的二氧化硅模型22 ;环形围绕二氧化硅模型22表面外周的界面模型23。在基质模型21和二氧化硅模型22中，各个物性被预期地限定。例如，二氧化硅模型22被用作硬弹性体，其中弹性模量被设定。至于基质模型21中的物性，按照所谓的没有填料的橡胶的拉伸测试的结果设定其物性(例如，表明应力与拉伸之间关系的函数)。向混入了二氧化硅的橡胶材料中混入界面粘合剂比如硅烷偶联剂等，以便粘结二氧化硅和橡胶。因此，传统的模拟是以二氧化硅与橡胶用界面粘合剂粘结为前提。并且，二氧化硅模型22与基质模型21之间的界面被确定为界面模型23。然而，例如，当用橡胶材料模型20模拟拉伸变形时，应力-拉伸试验结果可能与真实拉伸试验中获得的应力-拉伸结果有较大的不同。然而，本发明的发明人通过各种试验发现，这些结果之间的差距是由二氧化硅模型的几何学所引起。
也就是说，本发明人认真研究了二氧化硅的几何学，并假定界面粘合剂不仅粘结二氧化硅和基质橡胶，而且通过以纽线状(cord-like)方式使二氧化硅彼此相连来限制二氧化硅颗粒的移动。在根据该模型进行模拟之后，本发明人发现在模拟试验结果与真实试验结果之间存在非常高的相关性，并由此实现了本发明。因此，本发明的目的是提供一种模拟方法，该方法能以高精确度计算混入了二氧化硅的橡胶部件的变形。本发明涉及一种用于模拟橡胶材料的方法，其包括如下步骤用可数值分析的元素设置橡胶材料模型，该模型用于模型化包括基质橡胶、二氧化硅和用于粘结基质橡胶和二氧化硅的界面粘合剂的橡胶材料；通过在橡胶材料模型中设置条件来计算变形；以及根据变形计算获得所需的物理量。橡胶材料模型包括用于模型化基质橡胶的基质模型； 多个被设置于基质模型中的用于模型化二氧化硅的二氧化硅模型；以及环状围绕各个二氧化硅模型、并具有比基质模型更硬的物理性能的界面模型。橡胶材料模型包括通过经由界面模型连结多个二氧化硅模型而形成的连结体。根据本发明，橡胶材料模型包括用于模型化橡胶基质的基质模型；多个被设置在基质模型中的用于模型化二氧化硅的二氧化硅模型；以及环状围绕各个二氧化硅模型、并具有比基质模型更硬物理性能的界面模型。橡胶材料模型包括经由界面模型用多个二氧化硅模型连接的连结体。通过用该橡胶进行模拟(变形计算)，可获得与混入了二氧化硅的真实橡胶材料高度相关的计算结果。连结体优选在橡胶材料模型的整个区间内相对于轴的任意方向连续地延伸。设置橡胶材料模型的步骤包括参数确定步骤，以便确定界面模型中的物理参数。参数确定步骤包括至少制备第一未硫化橡胶组合物和第二未硫化橡胶组合物的步骤，其中第一未硫化橡胶组合物具有与分析对象的橡胶材料模型相同的混合物，第二未硫化橡胶组合物具有从第一未硫化橡胶组合物中排除了界面粘合剂的混合物；获得第一残留物和第二残留物的步骤，通过将第一未硫化橡胶组合物和第二未硫化橡胶组合物浸入溶剂中，以便分别从第一未硫化橡胶组合物和第二未硫化橡胶组合物中除去基质橡胶，获得第一残留物和第二残留物；通过至少测定第二残留物的tan δ的峰值温度Τ2以及第一残留物的tan δ的峰值温度Tl以及评估，并基于这两个峰值温度来评估差值Τ2-Τ1的步骤；制备基础硫化橡胶材料以及不同种类的硫化橡胶材料的步骤，该基础硫化橡胶材料具有从第一未硫化橡胶组合物中排除了二氧化硅的混合物，不同种类的硫化橡胶组合物仅在交联密度上与基础硫化橡胶材料不同；通过测定各个硫化橡胶材料的tan δ的峰值温度,获得硫化橡胶材料的tan δ的峰值温度与交联密度之间关系的步骤；根据上述关系，指定硫化橡胶材料的交联密度的步骤，该硫化橡胶材料的tan δ的峰值温度等于通过将差值Τ2-Τ1与基础硫化橡胶材料的tan δ的峰值温度Τ3相加获得的温度以及基于具有确定的交联密度的硫化橡胶材料的物性来限定界面模型的参数的步骤。


图I为显示本发明的实施方式的例子的计算机装置的概略图。图2为显示本发明实施方式的操作步骤的流程图。图3为显示橡胶材料模型的实施方式的线图(显微结构)。图4 (A)为粘弹性材料，图4 (B)为说明其分子链单个结构的线图，图4 (C)为单分子链的放大图，以及图4 (D)为分段的放大图。图5 (A)为显示粘弹性材料的网状结构体的概略图；以及图5 (B)为显示八链模型的例子的概略图。图6 (A)和图6 (B)是说明分子链的结合点的张力裂隙(tension crack)的线图。图7是显示基质模型和界面模型的物性的例子的应力-应变曲线。图8是显示橡胶材料模型的另一实施方式的线图(显微结构)。图9是说明未混入二氧化硅的硫化橡胶的tan δ与温度之间关系的示意图。图10是显示变形模拟的步骤的流程图。图11是显示说明均一化方法的显微结构与整体结构之间关系的视图。图12 Ca)至图12 Ce)是显示实施例和对照例的橡胶材料模型的线图。图13是实施方式中的八链模型的结构图。图14是比较模拟结果与试验结果的名义应力-拉伸曲线。图15是混入了二氧化硅的橡胶材料的传统模型。附图标记的说明I计算机装置2橡胶材料模型3基质模型4 二氧化硅模型5界面模型6连结体
具体实施例方式下面结合附图，对本发明的实施方式进行说明。图I显示了用于进行本发明的模拟方法的计算机装置I。计算机装置I包括主机la、键盘lb、鼠标Ic以及显示设备Id。在主机Ia内，存在大容量储存装置比如CPU、ROM、暂存器、以及磁盘等。主机Ia包括⑶-ROM和软盘驱动装置Ial和la2。因此，主机Ia在大容量储存装置中储存处理过程(程序)，以便实施本发明的下述模拟方法。 在本发明实施方式的模拟方法中，模拟混入了二氧化硅的橡胶材料的变形，该橡胶材料包括基质橡胶、二氧化硅、以及粘结它们的界面粘合剂。本发明实施方式中使用的界面粘合剂的例子为硅烷偶联剂。硅烷偶联剂的例子如下二(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)聚硫化物；二(2-三乙氧基甲硅烷基乙基)聚硫化物；二(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)聚硫化物；
二(2-三甲氧基甲硅烷基乙基)聚硫化物；二(4-三乙氧基甲硅烷基丁基)聚硫化物；二(4-三甲氧基甲硅烷基丁基)聚硫化物等。这些硅烷偶联剂可单独使用，也可两种以上组合使用。特别地，考虑到添加偶联剂的效果及成本，优选使用二(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)二硫化物等。图2显示了本发明实施方式的模拟方法的操作步骤的例子。在该实施方式中，首先，橡胶材料的模型被设置(步骤Si)。图3显示了作为显微结构的最小重复单元的可视化橡胶材料模型2的例子。在橡胶材料模型2中，非常小区间的待分析的混入了二氧化硅的橡胶材料用有限数量的小元素 (网格)2a.2b.2c等代替。各个元素2a、2b、2c等被定义为能进行数值分析。上述“数值分析可能性”是指每个元素或者整个体系的模拟计算可用数值分析方法分析，比如有限元法、有限体积法、差分法或者边界元法。更具体地讲，对于各个元素2a、2b、2c等，在坐标系中，节点处的坐标值、元素结构、材料性能等被定义。对于各个元素2a、2b、2c等，例如，在二维表面中优选使用三角形或四边形的元素，在三维表面中优选使用四面体形状或六面体形状的元素。因此，橡胶材料模型2形成了能用上述计算机装置I处理的数值数据。关于该实施方式中的橡胶材料模型2，进行下述变形模拟中的平面应变状态分析，更具体地说，模拟沿y轴方向的拉伸变形。换句话说，在本发明的实施方式中，进行除沿ζ轴方向应变外的二维模拟。在该实施方式中，例如，作为显微结构的橡胶材料模型2是具有300nmX 300nm的正方形。本发明实施方式的橡胶材料模型2包括模型化基质橡胶部分的基质模型3 ；设置在该基质模型3中并模型化二氧化硅的二氧化硅模型4 ；以及环状围绕各个二氧化硅模型4、并具有限定的比基质模型3更硬的物理性能的界面模型5。例如，基质模型3形成了橡胶材料模型2的主要部分，并使用多个三角形或四边形的元素来表示。为了进行计算模拟，在形成基质模型3的各个元素中，应力与拉伸之间的关系被定义为物性。在本发明实施方式中的用于模拟橡胶材料的方法中，为了表示橡胶弹性应答，基质模型3和界面模型5的橡胶部分分别基于分子链网状理论(molecular chainreticulation theory)被计算。分子链网状理论简要描述如下。如图4 (A)和图4 (B)所示，分子链网状理论基于如下假定作为连续体的橡胶材料(a)具有作为显微结构的网状结构，其中无序取向的分子链(C)在接合点(b)处被连接。例如，接合点(b)是分子间化学结合，并且包括交联点
坐寸ο在分子链网状理论中，接合点(b)的均值点(average point)被定义为相对于原子的波动周期长时间地保持静态，并且接合点(b)周围的扰动被忽略。沿轴向外缘包括两个接合点(b)的分子链(C)的端-端向量(end-to-end vector)被假定为变得与其内嵌入了端-端向量的橡胶材料的连续体协同形成。如图4 (C)所示，单分子链(C)由多个分段(d)形成。如图4 (D)所示，各个分段(d)科学地对应于由多个单体(f)形成的连接体，该单体(f)有通过共价键连接的碳原子形成。各个碳原子围绕原子间的键轴自由旋转，并且分段(d)沿其整体延伸，可具有各种构造。当单体(f)的数量是非常充足时，分段(d)的宏观性能根据比例定律而保持恒定，并且单个分段(d)被作为分子链网状理论中重复的最小构成单元来对待。用如图4 (C)所示的两个接合点(b)限定的分子链的构造符合非高斯静态分布。因此，在沿着将两个接合点(b)连接在一起的方向加入拉伸(stretch) λ时产生的应力σ用下式(I)表示。[式I]O = kjgTs/NC 1 ......式(I)kB:Boltzmann 常数T:绝对温度λ 拉伸N :每个分子链的平均分段数函数用下式定义的Langevin函数
权利要求
1.一种用于模拟橡胶材料的方法，其包括如下步骤 用可数值分析的元素设置橡胶材料模型的步骤，该模型用于模型化包括基质橡胶、二氧化硅和用于粘结基质橡胶和二氧化硅的界面粘合剂的橡胶材料； 通过在所述橡胶材料模型中设置条件来计算变形的步骤；以及 从所述变形计算获得所需物理量的步骤；其中， 所述橡胶材料模型包括 用于模型化基质橡胶的基质模型； 多个被设置于所述基质模型中的用于模型化所述二氧化硅的二氧化硅模型；以及 环状围绕各个所述二氧化硅模型并具有比所述基质模型更硬的物质性能的界面模型；并且 所述橡胶材料模型包括通过经由所述界面模型连结多个所述二氧化硅模型而形成的连结体。
2.如权利要求I所述的用于模拟橡胶材料的方法，其特征在于，所述连结体相对于任意的轴向在橡胶材料模型的整个区域范围内连续地延伸。
3.如权利要求I或2所述的用于模拟橡胶材料的方法，其特征在于， 所述设置橡胶材料模型的步骤包括用以确定所述界面模型中的物性参数的参数确定步骤；并且 该参数确定步骤包括如下步骤 至少制备第一未硫化橡胶组合物和第二未硫化橡胶组合物的步骤，其中第一未硫化橡胶组合物具有与分析对象的所述橡胶材料模型相同的混合物，第二未硫化橡胶组合物具有从第一未硫化橡胶组合物中排除了界面粘合剂的混合物； 获得第一残留物和第二残留物的步骤，通过将第一未硫化橡胶组合物和第二未硫化橡胶组合物浸入溶剂中，在分别从第一未硫化橡胶组合物和第二未硫化橡胶组合物中除去基质橡胶后，获得所述第一残留物和第二残留物； 评估差值T2-T1的步骤，通过至少测定所述第二残留物的tan δ的峰值温度Τ2和所述第一残留物的tan δ的峰值温度Tl，并基于这两个峰值温度来评估差值Τ2-Τ1 ； 制备基础硫化橡胶材料以及不同种类的硫化橡胶材料的步骤，所述基础硫化橡胶材料具有从所述第一未硫化橡胶组合物中排除了二氧化硅的混合物，所述不同种类的硫化橡胶组合物仅在交联密度上与基础硫化橡胶材料不同； 通过测定各个所述硫化橡胶材料的tan δ的峰值温度来获得所述硫化橡胶材料的tan5的峰值温度与交联密度之间的关系的步骤； 根据所述关系来指定硫化橡胶材料的交联密度的步骤，所述硫化橡胶材料的tan δ的峰值温度等于通过将所述差值Τ2-Τ1与所述基础硫化橡胶材料的tan δ的峰值温度Τ3加和而获得的温度以及 基于具有确定的所述交联密度的硫化橡胶材料的物性，来确定所述界面模型的参数的步骤。
全文摘要
一种用于模拟橡胶材料的方法，其包括如下步骤用可数值分析的元素设置橡胶材料模型，该模型用于模型化包括橡胶、二氧化硅和用于粘结它们的界面粘合剂的橡胶材料；通过在橡胶材料模型中设置条件来计算变形；以及根据变形计算获得所需的物理量。该橡胶材料模型(2)包括用于模型化基质橡胶的基质模型(3)；多个被设置于所述基质模型(3)中的用于模型化二氧化硅的二氧化硅模型(4)；以及环状围绕各个二氧化硅模型(4)并具有比所述基质模型更硬的物质性能的界面模型(5)。该橡胶材料模型包括通过经由界面模型(5)连结多个二氧化硅模型(4)而形成的连结体。
文档编号G01N33/44GK102906564SQ20118002499
公开日2013年1月30日 申请日期2011年5月17日 优先权日2010年5月20日
发明者内藤正登 申请人:住友橡胶工业株式会社