模拟轮胎制造过程.pdf

29第3 期李帅星模拟轮胎制造过程结构设计模拟轮胎制造过程李帅星编译摘要：本文介绍了轮胎制造过程的仿真技术。所介绍的技术包括通过自动链接PLM（产品寿命周期管理）中的制造设备和规范数据进行模拟和快速预测，还包括与温度和变形有关的材料模型和测量技术。将仿真结果与实测数据进行了比较，以验证该技术的效果。借助该技术，可以在量产前检测到设计缺陷和意外问题，还可以确定胶囊等组件的更换周期。这些基于双板数字的技术有助于缩短产品交货时间和减少制造成本。关键词：有限元分析；轮胎制造；工艺；模拟；验证；效果1前言轮胎制造过程是一个非常重要的步骤，直接影响到轮胎产品的质量，因此，需要设计一种可以在准备或组装轮胎的每个部件之前检测缺陷的技术，并且可以防止在此过程中可能出现的意外问题。本文介绍了基于双板数字概念的轮胎制造仿真技术。它与建模技术相结合，通过自动链接制造设备和PLM（产品寿命周期管理）中的规范数据，快速预测制造过程；使用传感器或相机的测量技术可以确保制造性能的准确性。在仿真技术中，实现了用与温度和变形相关的材料模型来表示轮胎部件的复杂制造性能，特别是描述橡胶交联的相变现象。将预测结果与各种测量结果（例如传感器测量和视频资料以及用户定义的定量值）进行了比较。通过其有用性验证了研究结果。此外，这些技术有助于缩短产品交货时间和减少制造成本。2制造模拟自从双板数字概念被提出以来，它已经在许多工业领域得到应用。双板数字由物理产品、虚拟产品以及物理和虚拟连接的数据组成。基于此概念开发的轮胎制造仿真技术如图1所示。它从制造规范开始依次进行在成型鼓上定位模拟、成型、硫化和最终PCI（后硫化充气）分析。在每个工序中，模拟、边界条件和负载条件都与规范和PLM的工厂设备数据一起处理。此外，将胎坏在制造过程中的预测性能与传感器和摄像头实际测量的数据进行了比较和验证。在本文中，将按顺序介绍每个步骤成型鼓设计成型硫化PCI图1轮胎制造模拟过程2.1成型鼓设计模拟成型鼓设计模型是通过将PLM中的制造规范信息分成三个部分来构建的。首先，胎体成型鼓部分由胎侧、气密层和胎体部件组成，如图2 所示。302023年第49 卷现代橡胶技术依据胎体成型鼓的直径，按顺序贴合胎侧、气密层和胎体部件。对于带束层成型鼓部分，基于带束层成型鼓贴合钢丝带束层、增强带束层和胎面部件。钢丝圈部分由胎圈钢丝和三角胶芯组成，通过胎圈直径和两胎圈之间的距离进行模拟。根据具有长度、宽度、厚度和形状信息的规范导入由未硫化胶制成的挤出半成品部件。为了对胎体和钢丝带束层等压延帘线进行模拟，还需将帘线直径和EPI信息导入规范中。3601胎面340带束层增强带束层320300-三角胶芯280钢丝圈气密层胎体260胎侧胶mm050100200250300mm图2成型鼓设计自动划分网格2.2材料模拟与粘弹特性占主导地位的硫化胶不同，未硫化胶具有很强的粘弹特性，这在轮胎制造过程中会影响未硫化胶的变形。对未硫化胶进行了周期蠕变试验，塑性变形随着周期增加负载而增加，如图3a所示。此外，在硫化过程中，橡胶的物理性能由于橡胶的交联反应而发生变化，变化程度用MDR（动模流变仪）测定。为了表示这些特性，开发了包括相变在内的与温度和变形相关的本构模型。如图3b所示，硫化程度（c）说明了基于热力学第二定律的相变现象。红框代表未硫化胶的粘弹特性，蓝色框代表硫化胶的粘弹特性。对于帘线，基于实验数据设定了其超弹性特性。3a3610080e60ehPd/re40第一周期第周期第三周期20第四周期第五周期iWWA第六周期ei01.21.41.61.82.02.22.4拉伸图3a未硫化胶的粘弹特性；图3bID流变模型31第3 期李帅星。模拟轮胎制造过程2.3成型过程成型模拟包括模拟成型鼓设计模型和相应的成型设备。如图4所示，成型鼓、压辊和成型胶囊被模拟为轴对称元素。实际成型过程的操作顺序数据与PLM数据链接，以便自动制作输入文件。该程序包括六个步骤：第一步，随着扣圈盘径向向上移动，胎圈部件被固定；第二步称为定型，成型胶囊和内部部件（包括胎体和胎圈部件内部的气密层）在压环向内移动的同时被充气，即使内部部件与带束层部件接触，带束层部件的端部在此步骤中仍保持分开；第三步，带束层部件通过压辊强制与内部部件连接，随后，滚轴套可以向中心移动以推动成型胶囊，然后完成侧壁部分的反包过程。通过将胎侧压合辊从胎圈部移动到胎肩部来完成内部部件与胎侧部件的粘合。在降低压力的同时，将成型鼓和胎圈锁环移动到原位置。锁合胎圈成型压胎面扣圈盘锁合胎圈锁合胎肩成型鼓气囊压胎侧反包卸压图4成型模拟过程根据成型类型，例如胎面搭接、胎侧搭接，可以获得如图5所示的预测结果。为了进行定量分析，在胎坏的实际横截面上测量4个临界点，然后与预测数据中的相应值进行比较。预测的内圆周和胎侧外圆周要大于测量值，但预测的带束层宽度要比测量值小。胎圈部三角胶芯的高度与测量值几乎相同，但预测的胎面搭接高度要略低。尽管将没有粘性效应的简单超弹性材料应用于增强帘线后会出现差异，但通过模拟可提供合适的相应预测结果。此外，考虑到轮胎制造过程中的统计偏差，预测值与实际值的比较会在一个合理的范围内。借助成型模拟，可以找到在轮胎制造之前的设计缺陷和机械装置的错误。此外，二维（2 D）激光轮廓传感器（Keyence研制的LJ-X8900）用于在每个成型步骤中通过扫描机器移动部件（例如成型胶囊）和胎体之类的轮胎部件来实时检测胎坏成型的过程。然后，传感器将数据处理成可以与模拟比较的2 D横截面。这样可以更好地理解机械装置产生的成型性能。如图6所示，在相同的扣圈盘距离（38 8.12 mm）和相同的压力条件下，比较了上游测试数据与相同条件下的相应预测值。可以看出，模拟正确地捕获了实际性能特性，但模拟中左右胶囊的高度相同，而在测试中观察到了不同试验值。根据差异，可以调整机械装置（例如压力或翻转速度），确定气囊的更换周期，然后用机械装置的实际值作为模拟参数。322023年第49 卷现代橡胶技术5235/60R18H（胎面搭接）单位：mm232.898.0230.6?99.7121.7?119.6参数?内圆周1#带束层宽度?43.3三角胶芯高度?41.3?S/W外圆周245/45R18T（胎侧搭接）单位：mm119.6?203.5121.7202.9?109.5?109.1参数?内圆周23.7?1#带束层宽度?23.8三角胶芯高度S/W外圆周图5成型模拟结果147.04成型鼓与胶囊顶部的距离144.5117.86成型鼓与胎体顶部的距离388.12114.43143.57143.57388.12图6在侧翻轮胎的反包步骤扫描轮廓的测量值与模拟结果的比较33李帅星林模拟轮胎制造过程第3 期2.4硫化过程硫化模拟使用来自成型模拟的预测结果。此外，通过导入规范中的硫化时间、温度和压力信息以及硫化设备的尺寸和形状信息，自动创建了硫化模拟的输入文件（如图7 所示）。程序如下：首先，上压环约束了硫化胶囊上升，将胎坏安装在硫化机中。放置在下半模的胎坏由充气的硫化胶囊预成型并固定。随着上半模闭合，节段硫化模随后闭合。硫化胶囊的压力增加到2 3巴，胎坏的温度增加到17 8。然后，胎坏被硫化一定的时间，材料特性在此步骤中发生变化。硫化后，胶囊卸压后打开上半模和节段模。然后，为了进行硫化后充气（PCI），使硫化轮胎与胶囊分离。将硫化后的轮胎放置在轮辋上，以便在高温状态下进行轮胎的后硫化充气，并在大约2 巴的充气状态下冷却一定的时间。最后获得硫化轮胎的横断面和轮廓。7侧模PC轮辋胎坏硫化胶捷节段模合模环侧模安装胶囊上升侧模闭合胎面模闭合正常压力硫化胶卸压后硫化充气图7硫化模拟过程内窥镜摄像头（BF211）用于观察胎坏和模具之间的接触特性，并将其与预测结果进行比较。摄像头安装在胎坏的外表面上，将胎坏橡胶部件的一部分以任意圆周角切割。然后，使用白色笔在橡胶的切割面上绘制网格。如图8 a所示，预测的接触特性通过子午线位置与实际拍摄的数据进行比较。此外，可以在硫化过程中及时检测到类似胎体帘线打折等缺陷，如图8 b所示。可以通过使用这些模拟工具进行参数研究，以便解决这类问题。因此，这些测量和预测有助于提前识别设计缺陷或制造问题。8a8b图8 a实际接触特性与预测接触特性的比较；图8 b胎体帘线的打折现象资讯速递342023年第49 卷现代橡胶技术3结论本文介绍了轮胎制造过程的仿真技术。该技术包括通过自动链接PLM中的制造设备和规范数据进行模拟和快速预测，还包括与温度和变形有关的材料模型和测量技术，以确保制造工艺的准确性。将仿真结果与实测数据进行了比较，以验证该技术。借助这些技术，可以在量产前检测到设计缺陷和意外问题。此外，还可以确定胶囊等组件的更换周期。这些基于双板数字的技术有助于缩短产品交货时间和减少制造成本。未来，制造仿真技术将与轮胎性能仿真相结合，起到发挥轮胎整体设计解决方案的作用。编译自Wonhyuck Lee，S e o n g t a e k H e o,Dongjin Park,etc.Simulating tire manufac-turingJ.TIRE TECHNOLOGYINTERNATIONAL,2021,ANNUAL REVIEW:88-91.浙石化10 万吨顺丁稀土橡胶/共线7 万吨镍系顺丁橡胶装置投产荣盛石化股份有限公司2 0 2 3年4月2 5日公告，控股子公司浙江石油化工有限公司（以下简称“浙石化”）在舟山绿色石化基地投资建设的年产10 万吨顺丁稀土橡胶/共线年产7 万吨镍系顺丁橡胶装置于近期投料成功，目前已顺利产出合格产品。顺丁橡胶具有优异的耐磨性、优良的耐屈挠性、较低的生热性和极佳的低温性能，可广泛使用于轮胎、鞋、输送带、胶管及橡胶制品等。浙石化年产10 万吨顺丁稀土橡胶/共线年产7 万吨镍系顺丁橡胶装置的投产，有助于提高国内稀土顺丁橡胶及镍系顺丁橡胶的供应能力，确保国内相关产业供应链供应安全，新投产的顺丁橡胶和先前投产的溶聚丁苯橡胶产能目前合计位居国内前三，竞争优势明显。（钱伯章供稿）