一种高应变速率下航空轮胎胎面胶的性能测试方法、系统和测试装置与流程

本发明涉及航空轮胎材料性能测试，尤其涉及一种高应变速率下航空轮胎胎面胶的性能测试方法、系统和测试装置。

背景技术：

1、航空轮胎是飞机起落架系统中的关键承载部件，在飞机起飞、着陆、滑跑以及紧急制动过程中，需要在较短时间内承受高速滚转、瞬态冲击、垂向载荷、切向摩擦和热—力耦合作用。与普通车辆轮胎相比，航空轮胎的服役工况具有速度高、载荷大、接地时间短、接地区变形剧烈和安全冗余要求高等特点。胎面胶作为航空轮胎与跑道直接接触的外层橡胶材料，其在起降接地瞬间会经历快速拉伸、压缩、剪切和回弹过程，局部区域尤其是接地印痕前缘、后缘、花纹沟边缘及胎肩过渡区域容易产生较高的瞬态拉伸应变率。

2、橡胶材料具有明显的速率依赖性。在常规低速或准静态条件下表现良好的胎面胶，在高应变速率作用下可能出现模量升高、滞后损耗变化、局部脆性转变、微裂纹萌生、脱层扩展或崩裂等现象。对于航空轮胎而言，上述损伤并不一定在低速拉伸、常规疲劳或普通磨耗测试中充分显现，而往往与起降接地瞬间的局部高应变率过程密切相关。因此，仅依靠常规拉伸强度、断裂伸长率、din磨耗、热空气老化或普通疲劳试验，难以准确评价航空轮胎胎面胶在实际高速起降工况下的抗损伤能力和寿命差异。

3、现有技术中已经存在针对轮胎橡胶力学性能的测试方法。例如，cn101477111a公开了一种轮胎橡胶复杂应力状态力学性能测试的方法及其专用设备，该方法包括单轴拉伸试验、等双轴拉伸试验和平面拉伸试验，利用ccd图像、拉伸力和时间曲线获得应变—时间关系，并进一步得到应力—应变曲线，从而为轮胎数值分析提供橡胶材料参数。该技术能够较完整地获得橡胶材料在不同变形模式下的基础力学响应，适用于轮胎橡胶本构模型参数的确定。但是，该技术主要关注橡胶试样在规定加载方式下的应力—变形关系，并未针对航空轮胎起降接地过程中的接地印痕演化、局部胎面单元接触状态以及瞬态高应变率区域进行识别，也未将整胎接地仿真得到的最大区域应变率转换为材料试样级的高应变速率循环拉伸测试条件。

4、又如，cn116825245a公开了一种橡胶热力耦合疲劳表征方法，其通过制备硫化试片、进行拉伸实验、建立平面拉伸试件有限元模型、计算最大应变能密度，并结合应力—应变实验数据计算橡胶试片在不同温度下的疲劳寿命。该技术考虑温度因素对橡胶疲劳寿命的影响，能够在一定程度上提高橡胶疲劳寿命表征的准确性。但是，该方法的有限元模型对象为平面拉伸试件，其疲劳评价指标主要基于最大应变能密度等参数，并未以航空轮胎实际起降接地过程中的印痕变化和局部胎面胶应变率为测试条件来源，不能直接反映航空轮胎胎面胶在高速接地瞬间受到的高应变速率拉伸作用。

5、此外，现有橡胶疲劳拉伸设备通常能够按照设定的位移、频率或速度对橡胶试样进行往复拉伸，并通过载荷、位移或应变信号判断试样疲劳性能。这类设备虽然能够完成循环拉伸测试，但其测试参数通常来自经验设定、标准规定或单一试验条件，缺少与航空轮胎起降接地真实工况之间的对应关系。换言之，现有设备可以“拉伸试样”，但难以回答应当以何种应变率、何种目标应变和何种循环条件来等效模拟航空轮胎胎面胶在真实起降接地区域中经历的瞬态损伤过程。

6、在实际工程中，航空轮胎起降接地过程具有明显的阶段性。轮胎从初始接触跑道，到接地印痕快速扩展，再到主承载接触状态，胎面胶不同局部区域的应变变化速度并不相同。若仅取整胎平均变形量、平均接地时间或普通材料拉伸速度作为测试依据，容易掩盖局部高应变率区域对胎面胶损伤的主导作用。同时，有限元仿真中接触边缘、网格畸变或局部奇异点也可能导致应变峰值失真，若直接采用仿真最大值作为测试条件，可能造成测试速度过高或过低，使寿命评价结果失去稳定性和可重复性。

7、因此，航空轮胎胎面胶性能评价中仍存在以下问题：其一，现有橡胶材料测试方法主要面向常规应变速率或标准试样加载条件，不能准确模拟航空轮胎高速起降接地区域的瞬态高应变速率工况；其二，现有轮胎仿真或橡胶疲劳寿命评价方法虽然能够获得应力、应变、应变能密度或温度等参数，但缺少将整胎接地印痕演化过程与材料试样高应变速率循环拉伸试验相互映射的技术路线；其三，现有疲劳拉伸装置的加载速度多由人工经验或设备预设值确定，未结合接地印痕阶段、目标胎面单元接触状态、局部区域分位应变率以及设备动态响应修正进行闭环控制；其四，现有评价结果通常表现为试样断裂次数、疲劳寿命或材料性能指标，难以进一步换算为航空轮胎胎面胶在起降工况下的预测寿命。

8、基于上述情况，有必要提供一种高应变速率下航空轮胎胎面胶的性能测试方法、装置及系统，通过建立并标定航空轮胎起降接地有限元仿真模型，基于接地印痕边界演化和目标胎面单元接触状态划分接地阶段，在目标区域内剔除异常应变点后提取稳定的区域应变率，并将通过连续帧一致性校验的最大区域应变率换算为经夹具柔度和设备动态响应修正的等效拉伸速率，再通过高应变速率循环拉伸测试装置进行闭环循环拉伸至失效，从而为航空轮胎胎面胶在高速起降工况下的性能评价和寿命预测提供更接近实际工况的测试依据。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高应变速率下航空轮胎胎面胶的性能测试方法、装置及系统，通过将航空轮胎起降接地过程中的接地印痕演化、局部胎面胶应变率和试样级高速循环拉伸测试相结合，解决现有橡胶测试方法难以准确模拟航空轮胎高速起降瞬态高应变率工况的问题，以提高胎面胶性能评价的工况一致性、寿命预测准确性和测试结果可靠性。

2、第一方面，为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

3、一种高应变速率下航空轮胎胎面胶的性能测试方法，该方法包括如下步骤：

4、s1、建立航空轮胎起降接地过程的有限元仿真模型，向所述有限元仿真模型输入航空轮胎结构参数、胎面胶材料参数、充气压力、垂向载荷、接地速度和摩擦边界条件，获得接地过程中随时间变化的接地印痕、接触压力场和胎面胶应变场；并利用实测接地印痕对有限元仿真模型进行标定，使仿真接地印痕与实测接地印痕之间的面积误差、长度误差或宽度误差满足预设误差阈值；

5、s2、基于接地印痕边界演化和目标胎面单元的接触状态，将航空轮胎由初始接地至完全接地的过程划分为若干接地阶段，并分别确定各接地阶段的阶段时间，其中，所述接地阶段至少包括初始接触阶段、印痕快速扩展阶段和主承载接触阶段；

6、s3、在每一接地阶段内，于接地印痕前缘区域、接地印痕后缘区域、胎面花纹沟边缘区域和胎肩过渡区域中的至少一个目标区域内提取局部主拉伸应变，剔除接触边缘奇异点、网格畸变点和非连续突变点后，采用所述目标区域内的分位统计应变值计算该接地阶段的胎面胶区域应变率；

7、s4、对各接地阶段的胎面胶区域应变率进行比较，并对最大候选应变率阶段进行连续帧一致性校验，将通过连续帧一致性校验的最大胎面胶区域应变率确定为工况等效应变率；根据所述工况等效应变率、胎面胶试样的有效标距、目标拉伸应变、夹具柔度修正量和设备动态响应修正量，计算高应变速率循环拉伸测试的等效拉伸速率；

8、s5、将航空轮胎胎面胶试样安装于高应变速率循环拉伸测试装置的夹具中，采用闭环控制方式使胎面胶试样的实测应变率与所述工况等效应变率之间的偏差保持在预设偏差范围内，并按照所述等效拉伸速率和目标拉伸应变对胎面胶试样进行循环拉伸，直至胎面胶试样达到预设失效条件，记录失效循环次数，并根据一次起降过程中目标胎面区域经历所述工况等效应变率对应阶段的次数，将所述失效循环次数换算为航空轮胎胎面胶的预测起降寿命。

9、作为进一步改进，在步骤s1中，所述实测接地印痕通过压力膜、接地压力测试板、透明接地台高速成像或多线激光轮廓测量方式获得；当仿真接地印痕与实测接地印痕之间的面积误差、长度误差或宽度误差超过预设误差阈值时，对胎面胶材料参数、摩擦边界条件、充气压力或垂向载荷中的至少一项进行修正，并重新进行有限元仿真。

10、作为进一步改进，在步骤s2中，根据接地印痕前缘位置、接地印痕后缘位置、接地面积变化率和目标胎面单元接触状态共同确定相邻接地阶段的分界点；当接地面积变化率超过预设变化率阈值，且目标胎面单元由非接触状态转换为接触状态或由接触状态转换为主承载状态时，将对应时刻确定为接地阶段分界点；

11、和/或，在步骤s2中，各接地阶段的阶段时间按照下式确定：

12、；

13、式中，为第个接地阶段的阶段时间；为第个接地阶段末端对应的仿真输出时间；为第个接地阶段起始对应的仿真输出时间。

14、作为进一步改进，在步骤s3中，胎面胶区域应变率计算如下：

15、；

16、式中，为第个接地阶段的胎面胶区域应变率；为第个接地阶段末端目标区域的分位统计应变值；为第个接地阶段起始时目标区域的分位统计应变值；为第个接地阶段的阶段时间；

17、优选，所述分位统计应变值为目标区域内局部主拉伸应变的第90百分位、第95百分位或第98百分位应变值；所述非连续突变点为相邻仿真帧中局部主拉伸应变变化幅度超过目标区域平均变化幅度预设倍数的应变点。

18、作为进一步改进，在步骤s4中，所述连续帧一致性校验包括：判断最大候选应变率阶段对应的高应变区域在相邻至少两个仿真帧中的空间重合度是否大于预设重合度阈值；若所述空间重合度不大于预设重合度阈值，则舍弃该最大候选应变率阶段，并选择下一候选应变率阶段进行连续帧一致性校验；

19、和/或，在步骤s4中，所述工况等效应变率按照下式确定：

20、；

21、式中，为通过连续帧一致性校验后的工况等效应变率；为第个接地阶段的胎面胶区域应变率；

22、和/或，在步骤s4中，等效拉伸速率按照下式计算：

23、；

24、式中，为等效拉伸速率；为胎面胶试样的有效标距；为工况等效应变率；为夹具柔度修正系数；为设备动态响应修正系数；

25、优选，所述夹具柔度修正系数根据夹具在空载和标准弹性试样加载状态下的位移损失确定；所述设备动态响应修正系数根据高应变速率循环拉伸测试装置的空载响应时间、液压伺服作动器滞后时间和传感器采样延迟确定，使胎面胶试样测试段的实测应变率与所述工况等效应变率之间的偏差不超过预设偏差范围。

26、作为进一步改进，在步骤s5中，所述闭环控制方式包括：实时采集胎面胶试样的位移、载荷和应变信号，根据采集到的实测应变信号计算实测试样应变率，并将所述实测试样应变率与工况等效应变率进行比较；当二者偏差超过预设偏差范围时，调整液压伺服作动器的位移波形、速度波形或加速度波形；

27、和/或，在步骤s5中，所述预设失效条件包括胎面胶试样完全断裂、胎面胶试样表面裂纹长度达到预设裂纹长度、循环峰值载荷相对于初始峰值载荷衰减至预设比例以下、或者胎面胶试样表面出现贯穿性裂纹中的至少一种；

28、和/或，在步骤s5中，所述航空轮胎胎面胶的预测起降寿命按照下式计算：

29、；

30、式中，为预测起降寿命；为安全修正系数；为胎面胶试样达到预设失效条件时的失效循环次数；为一次起降过程中目标胎面区域经历所述工况等效应变率对应阶段的次数；表示向下取整。

31、第二方面，本发明还提供了一种高应变速率下航空轮胎胎面胶的性能测试装置，用于实施所述的性能测试方法，所述性能测试装置包括承重底座、立柱、顶板、液压伺服作动器、移动梁、导向柱、上夹具、下夹具、传感器组件、保护腔、缓冲保护层和控制器；

32、所述立柱连接于承重底座和顶板之间，所述导向柱沿竖直方向设置并与移动梁滑动配合，所述液压伺服作动器与移动梁连接，用于驱动移动梁沿导向柱进行高应变速率往复运动；所述上夹具设置于移动梁，所述下夹具设置于承重底座或固定支架，所述上夹具和下夹具用于夹持胎面胶试样两端；所述传感器组件用于采集胎面胶试样的载荷、位移和应变信号；所述保护腔围设于上夹具、下夹具和胎面胶试样的外侧；所述缓冲保护层设置于保护腔或顶板内侧；所述控制器分别与液压伺服作动器和传感器组件连接，用于根据由航空轮胎起降接地仿真获得并经设备动态响应修正后的等效拉伸速率，控制液压伺服作动器对胎面胶试样进行闭环循环拉伸测试；

33、优选，所述传感器组件包括载荷传感器、位移传感器和应变传感器；所述载荷传感器设置于液压伺服作动器与上夹具之间或下夹具与承重底座之间，所述位移传感器用于检测移动梁的实际位移，所述应变传感器用于检测胎面胶试样测试段的实际应变；

34、优选，所述缓冲保护层由聚氨酯、橡胶或有机硅弹性体制成；所述保护腔设置有透明观察窗和安全联锁开关，当保护腔开启或安全联锁开关处于断开状态时，控制器限制液压伺服作动器启动。

35、第三方面，本发明还提供了一种高应变速率下航空轮胎胎面胶的性能测试系统，该系统用于实现所述的方法，包括仿真标定模块、接地阶段划分模块、区域应变率计算模块、等效拉伸速率修正模块、循环拉伸控制模块和寿命换算模块；

36、所述仿真标定模块用于建立航空轮胎起降接地过程的有限元仿真模型，并利用实测接地印痕对有限元仿真模型进行标定；

37、所述接地阶段划分模块用于基于接地印痕边界演化和目标胎面单元接触状态划分接地阶段；

38、所述区域应变率计算模块用于在目标区域内剔除异常应变点后，采用分位统计应变值计算各接地阶段的胎面胶区域应变率；

39、所述等效拉伸速率修正模块用于根据工况等效应变率、胎面胶试样有效标距、夹具柔度修正量和设备动态响应修正量计算等效拉伸速率；

40、所述循环拉伸控制模块用于控制高应变速率循环拉伸测试装置按照等效拉伸速率对胎面胶试样进行闭环循环拉伸测试；

41、所述寿命换算模块用于根据失效循环次数和一次起降过程中目标胎面区域经历工况等效应变率对应阶段的次数，换算得到航空轮胎胎面胶的预测起降寿命。

42、第四方面，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器、存储器以及存储于所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现所述的方法。

43、第五方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的方法。

44、本发明通过建立并标定航空轮胎起降接地有限元仿真模型，能够从整胎实际接地过程出发获取胎面胶在初始接触、印痕扩展和主承载接触等阶段中的局部变形特征，避免仅依据常规拉伸速度或经验参数设定测试条件造成的评价偏差；通过基于接地印痕边界演化和目标胎面单元接触状态划分接地阶段，并在目标区域内剔除接触边缘奇异点、网格畸变点和非连续突变点后提取区域分位统计应变值，能够降低仿真局部异常峰值对最大应变率判断的影响，提高高应变率参数提取的稳定性和可重复性；通过将通过连续帧一致性校验的工况等效应变率换算为经夹具柔度和设备动态响应修正的等效拉伸速率，并采用闭环控制方式进行高应变速率循环拉伸测试，能够使材料试样测试段的实际应变率更接近航空轮胎起降接地过程中的真实瞬态载荷条件；通过记录试样达到断裂、裂纹扩展或峰值载荷衰减等失效条件时的循环次数，并结合一次起降过程中目标胎面区域经历相应高应变率阶段的次数进行换算，能够形成从仿真工况到材料试验再到预测起降寿命的评价链条，为不同胎面胶配方、结构或工艺方案的筛选和航空轮胎服役安全评估提供更具针对性的测试依据。