Numerical and experimental investigation of heating processes in rubber-cord composite under cyclic deformation

Abstract

Composite materials such as elastomers, are widely used in modern engineering. An essential feature of such materials is their viscoelasticity. It’s accompanied with the release of energy as a heat. The self-heating process leads to rising of temperature, which causes the mechanical properties changing. That significantly influences on the strength of designs, accelerates the aging and degradation processes and significantly reduces a design life. Aim deals with the identification of the regularities of thermal state of rubber-cord composites by numerical simulation using data which was obtained experimentally at different conditions of cyclic loading. Numerical modeling of heat-transfer problem was carried out using finite element method; the experimental studies were carried out by using of modern measuring complex INSTRON/E3000. The qualitative and quantitative regularities of hysteresis loops that were formed during cyclic deformation of rubber-cord composite depending on time were obtained during the research. As a result of the numerical simulation of convective heat transfer problem the temperature distribution pattern of the specimen were obtained. Heating curves were also obtained in dependence of temperature on strain amplitudes and the frequency of loading. Comparison of the results that were obtained in the experiment and in numerical simulation shows a good convergence.

Композиційні матеріали, зокрема еластоміри, знаходять широке використання у сучасному машинобудуванні. Суттєвою особливістю таких матеріалів є їх в’язкопружні властивості, прояв яких супроводжується вивільненням енергії у вигляді тепла. Процес самонагріву спричиняє загальне підвищення температури, яке сприяє зміні механічних властивостей матеріалу, викликає додатковий термонапружений стан. Все це істотно впливає на міцність конструкцій, сприяє прискоренню процесів старіння і деградації і, зрештою, суттєво зменшує ресурс. Мета роботи полягає в визначені закономірностей формування теплового стану гумокордних композитів шляхом чисельного моделювання з використанням даних, отриманих в ході експериментальних досліджень за різних умов циклічного навантаження. Чисельне моделювання задачі конвективної теплопровідності проводилось на основі методу скінчених елементів. Експериментальні дослідження проводились засобами сучасного вимірювального комплексу INSTRON/E3000. В ході роботи були отримані якісні і кількісні залежності петлі гістерезису від часу, що утворились при циклічному деформуванні гумокордного композиту. Отримано картини розподілу температури по зразку, а також характер нагріву аж до моменту стабілізації. Встановлено залежність температури само нагріву від амплітуди деформування і частоти навантаження.