بررسي تجربي و نظري رفتار مكانيكي كامپوزيت‌هاي الياف بلند لاستيك-فولاد با استفاده از روش اجزاي محدود و مدل‌هاي تحليلي

A Theoretical and Experimental Investigation of Mechanical Behavior of Steel-Rubber Long Fiber Composites Using Finite Element Method and Analytical Models

اين كار پژوهشي اختصاص به مقايسه عملكردي ميان روش­‌هاي مختلف شبيه‌سازي كامپوزيت‌هاي الياف بلند لاستيك- فولاد داشته كه بخش بسيار مهمي از ساختار تايرهاي راديال را تشكيل مي‌دهند. ابتدا مطالعات پيشين انجام شده در زمينه شبيه­‌سازي رفتار اين نوع كامپوزيت­‌ها بررسي و سپس روش‌هاي مختلف شبيه‌­سازي و نقاط قوت و ضعف هر يك بيان شد. در بخش تجربي نمونه‌هاي كامپوزيت‌ لاستيك با سيم‌هاي فولادي به همراه نمونه‌‌هاي جداگانه ماتريس لاستيكي براي بارگذاري در دو حالت كششي و برشي ساخته شده و در آزمون‌هاي مربوط قرار گرفتند. براي ارزيابي دقت و كارايي اين روش‌­ها آزمون­‌هاي كشش و برش انجام گرفته به روش­‌هاي مختلف تحليلي و عددي به‌كمك روش اجزاي محدود و با استفاده از مدل­‌هاي ابركشسان و ابرگرانروكشسان شبيه‌سازي شدند. نتايج حاصل نشان داد، در هر دو حالت كششي و برشي مقدار دقت پيش‌­بيني­‌ها و نيز همگرايي مدل اجزاي محدود بسيار به روش محاسباتي، زاويه آرايش‌يافتگي الياف نسبت به جهت اعمال نيرو و همچنين مدل ابركشسان يا ابرگرانروكشسان انتخابي وابسته است. در عين حال در هيچ­ يك از اين حالت­‌ها، شبيه­‌سازي نه تنها قابلبت پيش­‌بيني دقيق رفتار غيرخطي نمونه­‌ها تحت اعمال نيروهاي برشي را ندارد، بلكه افزايش دقت مدل­‌سازي با درنظر گرفتن مدل گرانروكشسان براي رفتار لاستيك نيز موجب بهبود نتايج حاصل از شبيه­‌سازي و نزديك‌شدن آن به داده­‌هاي تجربي نمي‌شود. بنابراين، در بهره‌گيري از اين مدل‌­ها كه در نرم­‌افزارهاي تجاري نيز وجود دارند و فراوان استفاده مي‌شوند. بايد نهايت دقت را داشت و خطاهاي موجود را در نتايج شبيه‌­سازي و طراحي‌هاي پس از آن درنظر گرفت.

A comprehensive study is launched to compare different simulation techniques for the mechanical behavior of steel cord/rubber composites. A brief literature review is first performed and then various developed computational methods are examined. Uncured pre-shaped steel cord/rubber specimens, collected from a tire factory, were cured with different cord angles. These test samples were tested under tensile and shear modes. In order to check the validity and accuracy of the different computational techniques, the samples were analyzed using both analytical and numerical procedures which were based on the finite element method. The results showed that the accuracy and convergence of the computational methods are highly dependent on the selected numerical approach, the angle between cord and direction of applied load and also the hyperelastic or hyperviscoelastic model used to describe the mechanical behavior of the rubbery part. None of these models could predict nonlinear behavior of the cord/rubber composites in shear mode. Therefore, developing new constitutive models for this purpose is necessary.