Problems of identification of strength properties of rubber materials for purposes of numerical analysis: a review

• Autorzy: Mazurkiewicz D.

Warianty tytułu

PL

Problemy identyfikacji właściwości wytrzymałościowych materiałów gumowych na potrzeby analizy numerycznej: przegląd

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Proper selection of elements of an industrial-grade adhesive joint consisting of various types of rubber materials, supported by a detailed analysis of the phenomena occurring within the joint, especially with respect to fatigue performance, is still a very difficult and largely unresolved issue. Only single studies using FEM numerical modelling have made attempts at assessing and analyzing the phenomena occurring within the joining area of a rubber conveyor belt. This has been caused by a number of problems that have made obtaining reliable and repeatable results impossible, including the problem of defining appropriate material models for the rubbers of the individual layers of the belt and the joint, which introduce strong non-linear effects into the calculations. Rubber as an adhesive base and a construction material is unique, and its properties can be quite diverse dependent on its composition, content of additives, etc. A vulcanized rubber composition, for instance, consists of one or more rubbers and different types of additives which shape its future properties. That is why solution of the problem of identification of the strength properties of this type of materials for developing an adequate numerical model of an adhesive joint is an important issue from the point of view of industrial application of this method of bonding rubber materials; and especially so that expertise in proper use of appropriate adhesives and appropriate joining parameters is indispensable for obtaining optimal properties and maintenance characteristics of the joint. A typical error in preparing material models of rubber is that strength tests for determining stresses and strains are conducted with reference to the initial value of a specimen’s cross-section. A large, unanalyzed reduction in the area of the specimen during a strength test has a significant effect on the precision of a FEM model of the analyzed structure. This article analyzes this problem with regard to the modelling of adhesive bonding of rubber materials with a rubber adhesive by presenting a mode of action to be adopted in identifying the strength characteristics of the analyzed materials which eliminates the imprecision of the FEM model.

PL

Odpowiedni dobór elementów przemysłowego połączenia klejowego, składającego się z różnych typów materiałów gumowych, poparty szczegółową analizą zjawisk zachodzących w spoinie, szczególnie w ujęciu zmęczeniowym jest wciąż zagadnieniem bardzo trudnym i nie w pełni rozwiązanym. Tylko pojedyncze prace badawcze wykorzystujące modelowanie numeryczne MES dotyczą prób oceny i analizy zjawisk zachodzących w obszarze złącza gumowej taśmy przenośnikowej. Wynika to z szeregu problemów, uniemożliwiających uzyskanie wiarygodnych i powtarzalnych wyników, jak między innymi zdefiniowanie odpowiednich modeli materiałowych gumy poszczególnych warstw taśmy i złącza, wprowadzających do obliczeń silne efekty nieliniowe. Guma, jako podłoże do klejenia i jednocześnie materiał konstrukcyjny jest specyficznym materiałem, którego właściwości mogą być dość zróżnicowane w zależności od składu, zawartości dodatków itp. Poddawana wulkanizacji mieszanka gumowa składa się, bowiem z jednego lub większej liczby kauczuków oraz różnego rodzaju dodatków kształtujących jej późniejsze właściwości. Dlatego też rozwiązanie problemu prawidłowej identyfikacji właściwości wytrzymałościowych tego typu materiałów w aspekcie budowy poprawnego modelu numerycznego połączenia klejowego jest istotnym zagadnieniem z punktu widzenia przemysłowego zastosowania tej metody łączenia materiałów gumowych. Szczególnie z racji konieczności posiadania wiedzy w zakresie rozwiązywania problemów odpowiedniego użycia właściwego kleju i parametrów połączenia w celu uzyskania optymalnych właściwości i cech eksploatacyjnych złącza. Typowym błędem w przygotowaniu modeli materiałowych dla gumy jest przeprowadzanie prób wytrzymałościowych dla określenia naprężeń i odkształceń w odniesieniu do początkowej wartości przekroju poprzecznego próbki. Duże, nieanalizowane przewężenie próbki w czasie badań wytrzymałościowych w istotny sposób wpływa na niedokładność modelu MES analizowanej konstrukcji. W artykule przeanalizowano ten problem w odniesieniu do modelowania połączenia klejowego materiałów gumowych łączonych klejem kauczukowym, prezentując sposób postępowania przy identyfikacji cech wytrzymałościowych analizowanych materiałów, eliminujący niedokładność modelu MES.

Słowa kluczowe

EN

adhesive joint; strength properties; rubber materials; FEM numerical modelling

PL

właściwości wytrzymałościowe; materiały gumowe; modelowanie numeryczne

• Wydawca: Springer ; Wrocław University of Science and Technology
• Czasopismo: Archives of Civil and Mechanical Engineering
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 10, no 1
• Strony: 69--84
• Opis fizyczny: Bibliogr. 47 poz., wykr.

Twórcy

autor

Mazurkiewicz D.

• Lublin University of Technology, Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

Bibliografia

• [1] De S.K., White J.R. (eds.): Poradnik technologa gumy, Piastów, Instytut Przemysłu Gumowego “Stomil”, 2003.
• [2] Pękala M., Radkowski S.: Gumowe elementy sprężyste, Warszawa, PWN, 1989.
• [3] Antoniak J.: Przenośniki taśmowe w górnictwie podziemnym i odkrywkowym, Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2007.
• [4] Mazurkiewicz D.: Monitoring the condition of adhesive-sealed belt conveyors in operation, Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability, No. 3, 2005, pp. 41–49.
• [5] Mazurkiewicz D.: Computer system for monitoring conveyor belt joints, Canadian Miting Journal, Vol. 128, No. 4, 2007, pp. 24–24.
• [6] Mazurkiewicz D.: Analysis of the ageing impact on the strength of the adhesive sealed joints of conveyor belts, Journal of Material Processing Technology, Vol. 208, No. 1–3, 2008, pp. 477–485.
• [7] Markiewicz I.: Projektowanie metodą SADSF i analizy własności sprężystych i zmęczeniowych pasm rozciąganych z otworem, Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability, No. 1, 2010, pp. 4–14.
• [8] Markiewicz I.: Analiza rozmieszczenia otworów w rozciąganej tarczy z wykorzystaniem metody SADSF oraz szacowanie trwałości zmęczeniowej, Eksploatacja i Niezawodność –Maintenance and Reliability, No. 3, 2009, pp. 24–31.
• [9] Ważny M., Jasztal M., Szajnar S.: CFD-Fastran – narzędzie do numerycznej analizy opływu obiektów przez strumień powietrza, Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability, No. 4, 2008, pp. 55–62.
• [10] Markiewicz I.: Analiza połączenia spawanego zaprojektowanego metodami nośności granicznej, Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability, No. 3, 2008, pp. 12–21.
• [11] Mazurkiewicz D.: Problems of numerical simulation of stress and strain in the area of the adhesive-bonded joint of a conveyor belt, Archives of Civil and Mechanical Engineering, No. 2, 2009, pp. 75–91.
• [12] Baldan A.: Review: Adhesively-bonded joint in metallic alloys, polymers and composite materials, Mechanical and environmental durability performance, Journal of Materiale Science, Vol. 39, No. 15, 2004, pp. 4729–4797.
• [13] Dębski H., Rudawska A.: Analiza rozkładów naprężeń w jednozakładowym połączeniu klejowym, In: T. Niezgoda (ed.), Analizy numeryczne wybranych zagadnień mechaniki, Warszawa, WAT, 2007.
• [14] Błażej R.: Wpływ właściwości mechanicznych rdzenia taśm przenośnikowych tkaninowo-gumowych na wytrzymałość ich połączeń, Rozprawa doktorska, Wrocław, Politechnika Wrocławska, 2001.
• [15] Norma PN-C-94147:1997: Wyroby gumowe, Połączenia taśm przenośnikowych metodą wulkanizacji.
• [16] Godzimirski J., Rośkowicz M.: Analiza numeryczna metodą elementów skończonych procesu pełzania spoin połączeń klejowych, In: T. Niezgoda (ed.), Analizy numeryczne wybranych zagadnień mechaniki, Warszawa, WAT, 2007.
• [17] Quek M. Y.: Analysis of residual stresses in a single fibre-matrix composite, International Journal of Adhesion and Adhesives, Vol. 24, No. 5, 2004, pp. 379-388.
• [18] Błażej R., Hardygóra M., Komander H.: Wpływ wybranych parametrów na trwałość zmęczeniową połączeń wieloprzekładkowych taśm przenośnikowych, Transport Przemysłowy, No. 3, 2002, pp. 5–9.
• [19] Golikov G.F., Ryabov D.V.: Criteria for assessing the service quality of conveyor belts, International Polymer Science and Technology, Vol. 2, No. 33, 2006, pp. 59–61.
• [20] Kuzmenko V.I., Kiriaz’ev P.M.: Developing high-strength joints for conveyor belts, In: Technical, Technological and Economic Aspects of Thin-Seams Coal Mining. (Edit.) E.J. Sobczyk and J. Kicki, London, Taylor & Francis Group, 2007.
• [21] Madziarz M.: Wpływ konstrukcji i technologii wykonywania połączeń tkaninowych, wieloprzekładkowych taśm przenośnikowych na ich wytrzymałość, Wrocław, Politechnika Wrocławska, 1998.
• [22] Diani J., Brieu M., Gilarmini P.: Observation and modelling of the anisotropic viscohyperelastic behaviour of a rubberlike material, International Journal of Solids and Structures, Vol. 43, No. 10, 2006, pp. 3044–3056.
• [23] Duncan B.C.: Test methods for determining hyperelastic properties of flexible adhesives, CMMT (MN) 054, Published by Crown, 1999.
• [24] Gadala M.S.: Unified numerical treatment of hyperelastic and rubber-like constitutive laws, Communications in Applied Numerical Methods in Engineering, Vol. 7, No. 8, 1991, pp. 581–588.
• [25] Gent A.N.: Engineering with rubber, How to design rubber components, Munich, Hanser Publisher, 2001.
• [26] Apalak Z.G., Apalak M.K., Davies R.: Analysis and design of tee joints with double support, International Journal of Adhesion and Adhesives, Vol. 16, No. 3, 1996, pp. 187–214.
• [27] Gładysiewicz L.: Kierunki optymalizacji transportu taśmowego, Transport Przemysłowy, No. 1, 2008, pp. 5–9.
• [28] Godzimirski J., Kozakiewicz J., Łunarski J., Zielecki W.: Konstrukcyjne połączenia klejowe elementów metalowych w budowie maszyn, Rzeszów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, 1997.
• [29] Niezgoda T.: Analizy numeryczne wybranych zagadnień mechaniki, Warszawa, WAT Publishers, 2007.
• [30] Norma PN-EN ISO 283-1:2002: Metody badań taśm przenośnikowych, Oznaczanie wytrzymałości na rozciąganie oraz wydłużenia względnego i wydłużenia trwałego.
• [31] Norma PN-EN ISO 13934-1:2002: Tekstylia. Właściwości płaskich wyrobów przy rozciąganiu – Część 1: Wyznaczanie maksymalnej siły i wydłużenia względnego przy maksymalnej sile metodą paska.
• [32] Rosłaniec Z., Kwiatkowska M., Kułak W.P., Nastalczyk J., Kwiatkowski K.: Elastomery termoplastyczne: nowe materiały, właściwości i przetwórstwo, In: Elastomery i przemysł gumowy, Praca zbiorowa, Instytut Przemysłu Gumowego “Stomil”, Piastów–Łódź, 2006, pp. 54–84.
• [33] Kwon Y., Kwon H., Kim W., Leo S.: Estimation of rubber material property by successive zooming genetic algorithm, Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering, Vol. 1, No. 6, 2007, pp. 815–826.
• [34] Sheppard A., Kelly D., Tong L.: A damage zone model for the failure analysis of adhesively bonded joints, International Journal of Adhesion and Adhesives, Vol. 18, No. 6, 1998, pp. 385–400.
• [35] Sikora R.: Tworzywa wielkocząsteczkowe, Rodzaje, właściwości i struktura, Lublin, Wydawnictwa Uczelniane Politechniki Lubelskiej, 1991.
• [36] Ciesielski A.: An introduction to rubber technology, Shawbury, Rapra Technology Limited, 1999.
• [37] Curley A.J., Hadavinia H., Kinloch A.J., Taylor A.C.: Predicting the service-life of adhesively- bonded joint, International Journal of Fracture, Vol. 103, No. 1, 2000, pp. 41–69.
• [38] Darwish S.M.: Analysis of weld-bonded dissimilar materials, International Journal of Adhesion and Adhesives, Vol. 24, No. 4, 2004, pp. 347–354.
• [39] de Moura M.F.S.F., Daniaud R., Magalhaes A.G.: Simulation of mechanical behaviour of composite bonded joints containing strip defects, International Journal of Adhesion and Adhesives, Vol. 26, No. 6, 2006, pp. 464–473.
• [40] Dorfmann A., Ogden R.W.: A constitutive model for the Mullins effect with permanent set in particle-reinforced rubber, International Journal of Solids and Structures, Vol. 41, No. 7, 2004, pp. 1855–1878.
• [41] Fung T.C., Soh C.K., Gho W.M., Qin F.: Ultimate capacity of completely overlapped tubular joints, I – An experimental investigations, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 57, No. 8, 2001, pp. 855–880.
• [42] Greve L., Andrieux F.: Deformation and failure modelling of high strength adhesives for crash simulation, International Journal of Fracture, Vol. 143, No. 2, 2007, pp. 143–160.
• [43] Liljedahl C.D.M., Crocombe A.D., Wahab M.A., Ashcroft I.A.: Damage modelling of adhesively bonded joints, International Journal of Fracture, Vol. 141, No. 1–2, 2006, pp. 147–161.
• [44] Martins P.A.L.S., Natal Jorge R.M., Ferreira A.J.M.: A comparative study of several materiale models for prediction of hyperelastic properties: application to silicone-rubber and soft tissues, Strain, Vol. 42, No. 3, 2006, pp. 135–147.
• [45] Ruiz M.J.G.M., Gonzales L.Y.S.: Comparison of hyperelastic material models in analysis of fabrics, International Journal of Clothing Science and Technology, Vol. 18, No. 5, 2006, pp. 314–325.
• [46] Timofiejczuk A.: Identyfikacja reguł diagnostycznych z zastosowaniem algorytmu ewolucyjnego, Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability, No. 1, 2008, pp. 11–16.
• [47] Batko W., Borkowski B., Głocki K.: Zastosowanie systemów bazodanowych w monitoringu diagnostycznym maszyn, Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability, No. 1, 2008, pp. 7–10.