Нелинейные механические свойства резин и резинокордных композитов и работоспособность деталей шин (1090180), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Провели три группы усталостных испытаний. Впервой определили N1(1), во второй - N2(2). В третьей группе образцыутомляли до базы N1/2 при деформации 1, затем при деформации 2утомляли до разрушения. Оказалось, что образцы разрушались через N2/2 циклов (с точностью 15% для среднего значения).Результатыэкспериментанепротиворечатпринципукоммутативности усталостных испытаний. Однако для полнойубежденности в его применимости следует провести расширенныеэксперименты для резин и РКК разного состава и назначения.2275. КОНЦЕПЦИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИШИН НА СТАДИИ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ5.1 Общие замечанияЕсли шина создана, то способ прогнозирования работоспособностиее резинокордных деталей достаточно очевиден.
Нужно знать временнуюзависимость НДС и температуру в наиболее опасных местах этих деталей,а затем воспроизвести указанные параметры в лабораторных условиях.Число циклов до разрушения и будет показателем работоспособности.Если шина еще не создана и требуется разработать ее конструкцию,уточнить технологию изготовления, подобрать материалы, то задачасущественно усложняется. Для ее решения следует использовать методыоптимизации. Причем параметрами, из которых строится целевойфункционалоптимизации,должныбытьобщиепоказатели,характеризующие требования к автомобилю в целом с учетомобъективных и субъективных условий его эксплуатации.Разобьем указанную задачу на две части. Если мы научимсясоздавать шину, отвечающую конкретным требованиям по величине еежесткостных характеристик, работоспособности, потерям на качение,сцепным свойствам, комфортабельности, цене и проч., то можно будетвыполнить любые условия, следующие из рассмотрения полной системы«дорога – шина – автомобиль - водитель».
(Точнее, можно будеталгоритмически описать последовательность операций, приводящих кцели. Естественно, если будет поставлена задача создания шины сходимостью миллион километров, то ее решение вряд ли возможно, но непо причине отсутствия алгоритма, а из-за отсутствия нужных материалов).Если имеется решение задачи прогнозирования выходныххарактеристик конкретной шины с требуемой точностью, то решениезадачиоптимизацииосуществляетсястандартнымиспособамимногопараметрическойминимизациифункционалавыходных228характеристик. Здесь могут быть использованы как методы теориипланирования эксперимента [276], так и методы поиска экстремумовфункций многих переменных (например, метод градиентного спуска[259]).
В качестве эксперимента может быть использован, кроменатурного, компьютерный (численный) эксперимент в том случае, еслиимеются достаточно надежные программные средства определениявыходных характеристик.Общая постановка проблемы оптимизации достаточно детальноописана в литературе. Сошлемся на монографию [4], где имеется краткийраздел «Модели оптимального проектирования пневматической шины».Многие позиции автора не вызывают возражений, некоторые требуютуточнения. На последних мы остановимся более подробно.Обратим внимание на следующее важное обстоятельство. Назавершающем этапе следует проводить расчетную оценку выходныххарактеристик не идеальной, а реальной шины, в которой все выходныепараметры, как геометрические, так и механические, имеют отклонения отоптимальных значений.
Например, реальное НДС необходимо знать вшине, имеющей силовую и геометрическую неоднородность, разброспоказателей свойств резины, смещения деталей, и проч.В самом общем виде решение задачи создания оптимизированнойшины состоит из трех этапов:1. Подбор исходного варианта из имеющихся аналогов или его созданиеимеющимися средствами.2. Определение выходных характеристик исходного варианта.3.
Проведение планированногокомпьютерногоэкспериментавокрестности исходного варианта с целью его оптимизации дляполучения требуемого варианта.Каждый из указанных этапов требует детализации, чем мы изаймемся.Пункт 1 достаточно очевиден. При выборе подходящего аналогаобычно используют разработки ведущих шинных фирм в виде готовыхшин. Но при этом возникает проблема адаптации имеющихся материалов итехнологического оборудования под новые задачи. Часто оказывается, что229небольшие с точки зрения имеющейся технологии отклонения параметровот оптимальных значений аналога приводят к значительному снижениювыходных характеристик.Здесь в качестве нового критерия, который следует учитывать привыборе аналога, является его робастность [277].
Это понятие, введенноеТагути, характеризует устойчивость уровня выходных характеристик котклонениям от оптимума параметров технологического процесса, свойствматериала, размеров деталей и их положений в готовом изделии, и т.д.Количественно робастность связана с отношением «сигнал/шум»,максимизация которого при достижении номинального значенияпараметра качества и называется робастным режимом.
Использованиекритерия робастности неотрывно связано с общей статистическойсистемой обеспечения качества [278].Пункт 2 является традиционным и наиболее разработанным во всемпроцессе создания шины. В данной работе предлагаются новые шаги поего усовершенствованию. Сюда входит: использование в качестве выходной характеристики показателяусталостной выносливости, а не запаса по прочности; нелинейное описание квазиупругих и вязкоупругих свойстврезины и РКК для применения в программных средствахвысокого уровня – методе конечных элементов, прямом методерешения уравнений тории упругости, методах многослойныханизотропных оболочек; воспроизведение реальных условий изготовления и нагруженияна испытываемых образцах.Пункт 3 в отечественной практике создания шин не использовался,хотя в других областях он широко применяется. Здесь есть свояспецифика, в частности, при выборе вида целевого функционала.Требование робастности сохраняется.Начнем с классификации методов лабораторных испытаний,используемых при разработке новых материалов, а также для контроля230качества в процессе производства.
Это будет нами использовано приопределении работоспособности шины.5.2 Целевое назначение лабораторных испытаний.Как мы помним, в работе [14] (раздел 1.4) предложено по своемуназначению методы механических испытаний разделить на три группы:общие (физические), специальные, контрольные.Общие или физические методы дают возможность получитьпоказатели, имеющие ясный физический смысл и позволяющиехарактеризовать некоторые свойства испытуемого материала в строгоопределенных режимах (однородное НДС, фиксированная скорость,температура, и т.д.). Показатели, получаемые этими методами, могутслужить не только для сравнительной оценки, но и в качествеабсолютных характеристик материала.Специальные методы строятся с учетом особенностей режимовпереработки материалов или эксплуатации изделия.
Авторы [14]считают, что, как правило, эти режимы достаточно сложны и неподдаются строгому анализу. Показатели, получаемые этими методами,следует считать условными и пригодными лишь для сравнительнойоценки материалов.Контрольные методы предназначены для испытаний различныхпартий (образцов) одного и того же материала и служат для обнаружениянежелательных отклонений свойств контролируемого материала отзаданных норм. В качестве контрольных методов могут выступать какфизические, так и специальные методы.Изложим наше видение данной проблемы.Все виды лабораторных испытаний, предназначенных дляпрогнозирования работоспособности изделия на стадии проектирования ипроизводства, следует разделить на две группы.Первая – те испытания, на основе которых делается вывод опригодности данного материала для его использования по назначению.231Назовем эти испытания определяющими. Например, для оценкипригодности резинокордной системы для работы в качестве каркасанеобходим, в первую очередь, показатель усталостной выносливости(число циклов до разрушения) в тех условиях, в которых работает каркасданной конкретной шины (если требуется, то с учетом многократноговосстановления протектора).
К условиям работы следует отнести:динамику НДС, температуру, наличие факторов старения.Кроме показателя усталостной выносливости, к определяющимотносится величина потерь при качении шины. Этот показатель важен каккритерий расхода топлива. Кроме того, он влияет на усталостнуювыносливость через температуру.Определяющими являются показатели, связывающие тензорынапряжений и деформаций материалов шины в реальных условиях ихнагружения (тензоры модулей упругости в зависимости от температурныхи временных условий нагружения).
Эти показатели влияют нажесткостные характеристики шины в целом, на шумообразование,комфортность и проч. Безусловно, данные показатели существенно влияютна усталостные свойства и на теплообразование, но в этом смысле они неявляются выходными и не используются как определяющие.Обратим внимание, что в число определяющих испытаний невключены методы определения прочности связи на границе «корд-резина».Обоснование этому дано в главе 4.
Автомобилисту не важно, какаяпрочность связи. Ему достаточно, если он будет иметь гарантию, что шинапройдет, допустим, 100 тысяч км.Определяющие испытания включают в себя общие и специальные(по выше данной классификации). Это можно аргументировать самойпостановкой задачи. На этапе воспроизведения в лабораторных условияхтого, что имеется в изделии, не требуется, например, высокой степениоднородности НДС, которая реализуется в современном испытательномоборудовании (UTS, INSTRON, SCHENK, MTS и др.).Вторая группа – контрольные испытания.
Здесь мы практическиполностью соглашаемся с трактовкой, изложенной в [14]. В эту группумогут входить любые показатели, чувствительные к составу резины,232режиму ее вулканизации, условиям старения и испытаний. Переченьпоказателей, входящих в группу, должен отвечать требованиямоперативности, экономичности и достаточности. Последнее означает, чтопри обеспечении заданного уровня всех свойств группы гарантируетсявысокое потребительское качество материала в условиях еготехнологического использования и эксплуатации. Иными словами, должнобыть взаимно однозначное соответствие между измереннымиконтрольными показателями и потребительским качеством. При этомконтролируемые свойства могут не быть непосредственно связанными сэксплуатационными характеристиками изделия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
