[发明专利]用于模拟橡胶材料的方法

说明书

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1和专利文献1公开了用计算机模拟橡胶材料的方法。专利文献1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1:日本专利公开3668238。

非专利文献1: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 Volume 41,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；