炭黑填充补强橡胶材料是一种广泛应用于橡胶工程制品的复合硫化橡胶材料,它具有制备工艺简单,减震性能优异,生产成本低廉的特点。然而橡胶材料其本身的粘弹特性在表现出优异的阻尼性能的同时,还存在明显的温度升高的现象。例如轮胎在高速行驶时,胎肩的温度可以高达90℃以上,在这种高温度高频率的工况下行驶,轮胎的使用寿命也会大大降低。因此对橡胶材料生热性能的研究和对橡胶部件温度分布的预测,对分析橡胶制品的内部温度,控制温度分布的上限值,并进一步指导配方的设计和材料热破坏的分析尤为重要。因此本文对炭黑填充补强橡胶材料的生热性能进行测试和分析,并对其能耗理论进行了研究和计算,最后结合有限元技术,建立热力耦合模型,对橡胶压缩曲挠的温升和传热进行了预测,揭示了炭黑填充补强橡胶材料的生热机理。(1)首先制备了不同炭黑份数的共混胶,使用无转子硫化仪,橡胶加工分析仪对其进行测试,分析炭黑用量对共混胶的硫化性能和流变性能的影响,进一步对不同份数炭黑填充硫化胶的准静态力学性能、动态损耗模量、压缩生热性能进行了研究和分析。还对硫化胶的热导率和比热容随温度的变化进行了测试。结果表明,随着炭黑用量增加,混炼胶和硫化胶的损耗模量都有升高,硫化胶的生热更严重,热导率上升,比热容下降。(2)建立了橡胶压缩模型和压缩生热热力耦合模型。对建模的步骤方法和注意事项进行了详细的说明。在进行力学模型建模时,主要包括底座、压头和橡胶圆柱部件的建立,模型的组装,接触条件的设定,三维网格的划分,循环载荷的加载。在进行热力耦合模型时,主要包括热分析步的建立,热载荷的施加,对流边界和接触边界散热系数的定义,最后提交模型进行计算。(3)通过建立炭黑填充橡胶的动态压缩生热热力耦合模型,结合硫化胶材料的本构理论和生热传热计算方程,确定模型中的相关参数并进行计算和数值分析。使用合适的超弹性本构方程对炭黑填充硫化胶的超弹性进行拟合,计算得出橡胶圆柱压缩时的应力应变分布。结合静动刚度仪测得的动态损耗联立能耗方程求解出不同工况下的能耗速率并以热载荷的形式加载到热力耦合模型中,最终计算出整个历程的温升情况。结果表明,恒应变情况下,能量损耗的大小直接依赖于损耗模量的变化,有限元计算结果和实测结果一致,并且可实现对压缩圆柱内部温度场的分析,内部集中生热严重。本工作不仅研究了炭黑填充量对橡胶的动态性能的影响,还通过有限元分析方法对不同工况下的橡胶圆柱压缩生热进行了预测,揭示了生热传热的规律,具有重要的工程应用价值。