针织帘线增强橡胶软管的力学性能研究

摘要

针织帘线增强橡胶软管可用于输送液体、气体甚至固体物质，具有耐压强度高、模量高的特点，广泛应用于汽车、海洋和航空航天等领域。针织帘线增强橡胶软管的力学性能受橡胶材料、增强层材料和胶管结构的影响，研究其力学性能，对胶管的设计和生产具有重要的指导意义。
　　本文以内径Φ26m、壁厚7.5mm、帘线针数18针、帘线等效半径0.67mm的芳纶帘线增强三元乙丙橡胶软管为研究对象，首先利用橡胶材料的单向拉伸测试结果拟合双参数的Mooney-Rivilin模型来表征橡胶基体材料的力学性能，通过芳纶帘线材料的单向拉伸确定帘线的线弹性参数，并通过水压实验测定了胶管的爆破压力，然后利用PRO/E软件建立针织帘线增强橡胶软管的三维模型，利用ANSYS-Workbench软件对胶管的力学性能进行模拟，探讨了最佳建模和最佳约束方案、帘线针数与胶管厚度对胶管力学性能的影响。最后通过实验研究了溶剂甲苯和汽油的质量配比与帘线排布密度对胶管内外层橡胶剥离强度的影响。以下结论可以得出：
　　（1）模拟结果表明，针织帘线增强橡胶软管的最佳建模方案是搭接型建模，最佳约束方案是位移控制式。当胶管承受0.24MPa的工作内压时，帘线上的最大等效应力为67.21MPa，橡胶基体上的最大等效应力为0.20MPa。当胶管所承受的内压为2.10MPa时，帘线上的最大等效应力达到帘线的拉伸强度589MPa，橡胶基体上的最大等效应力是1.77MPa，小于橡胶基体拉伸强度11.9MPa，帘线先于橡胶基体发生破坏，这与爆破实验现象相符。胶管实验爆破压力为2.04MPa，模拟结果是实验结果的1.03倍，误差为2.94％。
　　（2）模拟结果表明，当帘线针数从5针增加到10针时，帘线的最大等效应力急剧减小，当帘线针数超过10针时趋向平缓。当帘线针数从5针增加到15针时，橡胶基体的最大等效应力急剧减小，当针数超过15针时趋向平缓。当帘线针数从5针增加到10针时，帘线和橡胶基体的最大变形量均急剧减小，当针数超过10针时趋向平缓。
　　（3）模拟结果表明，当胶管厚度从2.75mm增加到4.75mm时，帘线的最大等效应力缓慢增加，橡胶基体上的最大等效应力基本不发生变化，帘线的最大变形量缓慢增加，橡胶基体上的最大变形量先减小后增大。
　　（4）实验结果表明，随着溶剂内甲苯比例的升高，胶管内外层橡胶的剥离强度呈现先增大后减小的趋势。当溶剂甲苯和汽油质量比为7:3时，剥离力最大，最大值为175.43N，平均值为169.11N。
　　（5）实验结果表明，随着帘线排列密度的增加，内外层橡胶的剥离强度呈现先增大后减小的趋势，当帘线排列密度为16根/3cm时，剥离力最大，最大值为258.07N，平均值为240.21N。帘线排列极密时内外层橡胶间的剥离力远小于不加帘线时的剥离力。