[发明专利]模拟含有填料粒子的橡胶混合物的变形的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于模拟含有填料粒子的橡胶混合物的变形的计算机化方法，更多具体地讲，涉及一种用于生成能够精确地模拟所述变形的橡胶混合物有限元模型的方法。

背景技术

一般来讲，在橡胶产品例如轮胎等中使用的橡胶混合物都含有填料例如炭黑、二氧化硅等作为增强剂。

本技术领域普遍已知，这些填料粒子在橡胶混合物中的分散性会影响橡胶混合物的特性比如强度。但是，还不清楚在橡胶混合物的特性与其内填料粒子之间的全部详细关系。因此，当进行橡胶混合物的模拟或者分析时，重要的是要使用精确的橡胶混合物的有限元模型，其中填料粒子在实际的橡胶混合物中的分散性可被精确地复制。

另一方面，取决于应变速率，橡胶混合物通常会显示出不同的粘弹性质。因此，精确模拟以生成有限元模型也是很重要的，该有限元模型具有取决于橡胶混合物应变速率的应力。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种用于模拟含有填料粒子的橡胶混合物的变形的方法，其中在该橡胶混合物的有限元模型中可精确地模拟填料粒子的分散性和取决于应变速率的应力。本发明的方法能够生成所述有限元模型，因此有可能进行橡胶混合物变形的精确模拟和橡胶混合物的精确分析。

根据本发明，一种用于模拟包含橡胶组分和填料粒子的橡胶混合物的变形的方法，包括下述步骤：

STEM图像获得步骤，其中，通过利用扫描透射电子显微镜(STEM)，获得橡胶混合物的STEM图像的数据；

三维结构重构步骤，其中，以STEM图像的数据为基础，重构橡胶混合物的三维结构的数据集；

有限元模型生成步骤，其中，以橡胶混合物的三维结构的数据集为基础，生成橡胶混合物的有限元模型，以使得该有限元模型包含被分成有限数量单元的橡胶组分区域、每个都被分成有限数量单元的填料粒子区域；

应力相关性定义步骤，其中在橡胶组分单元上定义与橡胶组分应变速率的应力相关性；以及

模拟步骤，其中，以有限元模型为基础，进行橡胶混合物的变形的模拟。

在STEM图像获得步骤中，扫描透射电子显微镜的焦点优选被设定在橡胶混合物样品的厚度中心区域内。

在STEM图像获得步骤中，优选橡胶混合物样品相对于扫描透射电子显微镜的中心轴倾斜，并且以不同的橡胶混合物样品倾斜角度摄取STEM图像，同时基于沿着穿过橡胶混合物样品的电子束轴方向测量的视厚度，将扫描透射电子显微镜的焦点设定在橡胶混合物样品的厚度中心区域内。

橡胶混合物样品的厚度优选是200至1500nm。

在橡胶混合物样品与用于扫描透射电子显微镜中透射电子的检测器之间的距离优选是8至150cm。

因此，在本发明中，可以得到极为类似实际橡胶混合物的有限元模型。因此，基于这样的有限元模型，通过进行变形计算，可以得到精确的模拟结果。

另外，由于定义了取决于应变速率的应力，可以得到可用于开发橡胶混合物的模拟结果。例如，如果向橡胶混合物施加的周期应变的频率超过1000Hz，橡胶混合物的粘弹性的实际测量变得很困难。反之，需要高于1000Hz的频率，以便评估胎面胶混合物的抓地性能。然而，在本发明中，在超过1000Hz的周期应变下进行评估是可能的。

通过将焦点设定在样品的厚度中心区域内，样品中可以得到清楚图像的范围会增加，借此有可能获得其中填料粒子的分散性可被更精确地模拟的橡胶混合物模型。

附图说明

图1是橡胶混合物简化实施例的横截面显微图。

图2是用于说明本发明实施方式用于模拟橡胶混合物变形的方法的流程图。

图3是显示在根据本发明的方法中使用的扫描透射电子显微镜的示意图。

图4是显示用于暗场图像的散射角限制孔径的示意图。

图5是用于说明使样品倾斜的装置的示意图。

图6(a)是用于说明焦点位置的样品的截面示意图，选取的截面包括垂直于入射面的电子束轴。

图6(b)是用于说明焦点位置的样品的截面示意图，选取的截面包括相对于入射面倾斜的电子束轴。

图7是截面示意图，用于说明扫描透射电子显微镜的视场深度、显微镜的焦点位置和样品厚度之间的关系。

图8是由橡胶混合物的三维结构的数据集产生的透视图。

图9(a)是显示橡胶混合物简化实施例的有限元模型一小部分的示意图。

图9(b)是图9(a)的放大图。

图10是显示橡胶混合物简化实施例的三维有限元模型的透视图。