钢丝绳芯橡胶输送带两尺度统一本构模型与阻尼机制研究

李建刚; 冯金平; 王鑫; 刘思远; 高仲杰; 吴建军

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.018

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

钢丝绳芯橡胶输送带两尺度统一本构模型与阻尼机制研究

·设计·计算· | 更新时间：2025-07-10

- 钢丝绳芯橡胶输送带两尺度统一本构模型与阻尼机制研究
- STUDY ON TWO-SCALE UNIFIED CONSTITUTIVE MODEL AND DAMPING MECHANISM OF RUBBER CONVEYOR BELT WITH STEEL WIRE ROPE CORE
- 机械强度 2025年47卷第7期页码：144-151
- 作者机构：
  
  辽宁工程技术大学机械工程学院，阜新 123000
- 作者简介：
  
  李建刚，男，1976年生，辽宁阜新人，博士，讲师；主要研究方向为机电系统设计与仿真；E-mail：ljg615@126.com。
  冯金平，男，1997年生，浙江台州人，硕士；主要研究方向为机械工程；E-mail：1656373805@qq.com。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(52174115)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.018
  中图分类号： TH117.1
- 收稿日期：2024-01-01，
  
  修回日期：2024-02-17，
  
  纸质出版日期：2025-07-15
- 稿件说明：
移动端阅览
李建刚，冯金平，王鑫，等. 钢丝绳芯橡胶输送带两尺度统一本构模型与阻尼机制研究［J］. 机械强度，2025，47（7）：144-151.

LI Jiangang，FENG Jinping，WANG Xin，et al. Study on two-scale unified constitutive model and damping mechanism of rubber conveyor belt with steel wire rope core［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（7）：144-151.
李建刚，冯金平，王鑫，等. 钢丝绳芯橡胶输送带两尺度统一本构模型与阻尼机制研究［J］. 机械强度，2025，47（7）：144-151. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.018.

LI Jiangang，FENG Jinping，WANG Xin，et al. Study on two-scale unified constitutive model and damping mechanism of rubber conveyor belt with steel wire rope core［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（7）：144-151. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.018.

摘要

钢丝绳输送带的本构分析是优化输送带设计和节能的关键问题，采用黏弹性理论及瞬态动力学的知识构建了基于表征钢丝绳的Maxwell模型和表征橡胶基体的Burgers模型，考虑了钢丝绳间的微动摩擦阻尼和钢丝绳与输送带之间的相互阻尼，构建了其混合本构模型，运用外加激励载荷的方法，在0~40 ℃条件下，建立本构模型间各参数之间的关系，运用Matlab对仿真曲线进行拟合、求解，在环境温度为40 ℃的条件下，对混合本构模型的准确性进行了验证。结果表明，模型预测数据与实测数据具有良好的一致性，其中最大误差为5.88%。证明此本构模型能够比较好地表征钢丝绳芯橡胶输送带，运用仿真加预测的方法，验证此模型的普适性。此研究为输送带结构优化和节能分析提供理论基础。

Abstract

Constitutive analysis of steel wire rope conveyor belt is a key problem for conveyor belt design optimization and energy conservation. Maxwell model and Burgers model based on viscoelastic theory and transient dynamics were constructed. Considering the fretting friction damping between steel wires and the mutual damping between steel wire rope and conveyor belt

a mixed constitutive model was constructed. Under the condition of 0-30 ℃

the relationship between the parameters of the constitutive model was established

the simulation curve was fitted and solved by Matlab

and the accuracy of the mixed constitutive model was verified by taking 40 ℃ as the control group. The verification results show that the maximum error between the conveyor belt represented by this constitutive model and the experiment is 5.88%

demonstrating that this constitutive model can better characterize the rubber conveyor belt with steel wire rope core. The universality of this model is verified by the method of simulation and prediction. It provides a theoretical basis for the structural optimization and energy-saving analysis of conveyor belt.

关键词

Keywords

references

马涛 . 煤矿井下带式输送机运行的相关问题研究［J］. 西部探矿工程， 2023 ， 35 （ 6 ）： 85 - 87 .

MA Tao . Study on related problems of belt conveyor operation in underground coal mine ［J］. West-China Exploration Engineering ， 2023 ， 35 （ 6 ）： 85 - 87 . （In Chinese）

BAJDA M ， HARDYGÓRA M . Analysis of the influence of the type of belt on the energy consumption of transport processes in a belt conveyor ［J］. Energies ， 2021 ， 14 （ 19 ）： 6180 .

田乐乐 . 长距离水平转弯带式输送机关键技术研究［D］. 太原：太原科技大学， 2020 ： 1 - 30 .

TIAN Lele . Research on key technologies of long distance horizontal turning belt conveyor ［D］. Taiyuan ： Taiyuan University of Science and Technology ， 2020 ： 1 - 30 . （In Chinese）

苏金虎 . 高聚物基复合材料输送带的非线性黏弹性研究［D］. 太原：太原科技大学， 2020 ： 1 - 45 .

SU Jinhu . Research on the nonlinear viscoelasticity of high polymer matrix composite conveyor belt ［D］. Taiyuan ： Taiyuan University of Science and Technology ， 2020 ： 1 - 45 . （In Chinese）

陈洪月，白杨溪 . 钢丝绳橡胶输送带混合本构模型及动力学参数变化规律分析［J］. 机械设计与研究， 2017 ， 33 （ 3 ）： 182 - 186 .

CHEN Hongyue ， BAI Yangxi . Hybrid constitutive model of wire rope rubber conveyor belts and change law of dynamics parameters analysis ［J］. Mechanical Design & Research ， 2017 ， 33 （ 3 ）： 182 - 186 . （In Chinese）

倪亚军，刘敏强 . 架空乘人装置钢丝绳检测磁场仿真与算法设计［J］. 机械管理开发， 2022 ， 37 （ 10 ）： 15 - 16 .

NI Yajun ， LIU Minqiang . Simulation and algorithm design of wire rope detection magnetic field for overhead rider device ［J］. Mechanical Management and Development ， 2022 ， 37 （ 10 ）： 15 - 16 . （In Chinese）

陈洪月，张坤，李恩东，等 . 钢丝绳芯橡胶输送带细观建模与动态特性仿真分析［J］. 机械强度， 2019 ， 41 （ 2 ）： 452 - 457 .

CHEN Hongyue ， ZHANG Kun ， LI Endong ， et al . Dynamic characteristics simulation analysis and microscopic model of rubber conveyor belt of steel core ［J］. Jounral of Mechanical Strength ， 2019 ， 41 （ 2 ）： 452 - 457 . （In Chinese）

CHEN H Y ， LIU S Y . Establishment of constitutive model and dynamic parameter analysis of rubber conveyor belt ［J］. Journal of Theoretical and Applied Mechanics ， 2023 ， 61 （ 2 ）： 365 - 378 .

陈洪月，李永红，王冬梁 . 钢丝绳橡胶输送带阻尼特性模拟与验证［J］. 机械设计与研究， 2016 ， 32 （ 6 ）： 62 - 64 .

CHEN Hongyue ， LI Yonghong ， WANG Dongliang . Simulation and verification on damping characteristics of wire rope rubber conveyor belt ［J］. Machine Design & Research ， 2016 ， 32 （ 6 ）： 62 - 64 . （In Chinese）

陈洪月，许若镛，毛君 . 考虑温度影响的钢丝绳橡胶输送带粘弹性模型建立及压陷阻力分析［J］. 机械强度， 2020 ， 42 （ 3 ）： 680 - 687 .

CHEN Hongyue ， XU Ruoyong ， MAO Jun . The viscoelastic model of steel wire rope rubber conveyor belt and the analysis of depression resistance under the influence of temperature ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2020 ， 42 （ 3 ）： 680 - 687 . （In Chinese）

王珏，郑赟，汪振宁，等 . 基于Burgers黏弹性模型的P型橡胶水封长期服役止水密封性仿真［J］. 中国农村水利水电， 2023 （ 12 ）： 266 - 272 .

WANG Jue ， ZHENG Yun ， WANG Zhenning ， et al . Sealing performance of P-type rubber water seals based on Burgers viscoelastic model in the long-term service simulation ［J］. China Rural Water and Hydropower ， 2023 （ 12 ）： 266 - 272 . （In Chinese）

LUO H A ， ZHU Y L ， ZHAO H F ， et al . Equibiaxial planar tension test method and the simulation analysis for hyperelastic EAP membrane ［J］. Advances in Polymer Technology ， 2023 ， 2023 （ 1 ）： 7343992 .

MOLLAEE S ， BUDGETT D M ， TABERNER A J ， et al . Hyperelastic constitutive model parameters identification using optical-based techniques and hybrid optimisation ［J］. International Journal of Mechanics and Materials in Design ， 2024 ， 20 （ 2 ）： 233 - 249 .

SWAN M S ， PICCOLROAZ A ， BIGONI D . Green body production from alumina powder：constitutive theory，implementation，and experimental validation ［C］// Workshop Program and Book of Abstracts ， 2015 ： 16 .

MIRZAPOUR J . A micro-mechanically-based constitutive model for hyperelastic rubber-like materials considering the topological constraints ［J］. International Journal of Solids and Structures ， 2023 ， 275 ： 112299 .

曹凤利，白鸿柏，李冬伟，等 . 金属橡胶非成形方向迟滞特性力学模型研究［J］. 机械工程学报， 2015 ， 51 （ 2 ）： 84 - 89 .

CAO Fengli ， BAI Hongbai ， LI Dongwei ， et al . Research on mechanical model of metal rubber for hysteresis characteristic in the non-forming direction ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2015 ， 51 （ 2 ）： 84 - 89 . （In Chinese）

闫昱全，宋国臣 . 基于Mooney-Rivlin模型的船用密封圈设计及试验验证［J］. 橡胶科技， 2023 ， 21 （ 7 ）： 325 - 329 .

YAN Yuquan ， SONG Guochen . Design and experimental verification of marine sealing ring based on Mooney-Rivlin model ［J］. Rubber Science and Technology ， 2023 ， 21 （ 7 ）： 325 - 329 . （In Chinese）

王源绍，聂子豪 . 基于Mooney-Rivlin模型的橡胶件刚度与硬度关联性研究［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 3 ）： 692 - 700 .

WANG Yuanshao ， NIE Zihao . Study on the correlation between stiffness and hardness of rubber parts based on Mooney-Rivlin model ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 3 ）： 692 - 700 . （In Chinese）

李永红 . 钢丝绳橡胶输送带动态特性与变形阻力分析［D］. 阜新：辽宁工程技术大学， 2017 ： 17 - 53 .

LI Yonghong . The analysis on dynamic characteristics and deformation resistance of steel core rubber conveyor belt ［D］. Fuxin ： Liaoning Technical University ， 2017 ： 17 - 53 . （In Chinese）

程相文，张宇 . 基于ZWT模型的胶带输送机动力学方程的建立［J］. 机械设计与制造， 2019 （ 11 ）： 154 - 157 .

CHENG Xiangwen ， ZHANG Yu . Establishment of dynamic equation of belt conveyor based on ZWT model ［J］. Machinery Design & Manufacture ， 2019 （ 11 ）： 154 - 157 . （In Chinese）

陈洪月，白杨溪，邓文浩，等 . 钢丝绳芯橡胶输送带广义本构模型建立与实验验证［J］. 机械强度， 2018 ， 40 （ 5 ）： 1085 - 1089 .

CHEN Hongyue ， BAI Yangxi ， DENG Wenhao ， et al . Steel wire rope core rubber conveyor belt generalized constitutive modeling and experimental validation ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2018 ， 40 （ 5 ）： 1085 - 1089 . （In Chinese）

陈洪月，李永红，张坤，等 . 橡胶输送带黏弹性本构模型参数测定与分析［J］. 振动、测试与诊断， 2018 ， 38 （ 1 ）： 111 - 114 .

CHEN Hongyue ， LI Yonghong ， ZHANG Kun ， et al . Measurement and analysis for the constitutive model parameters of the rubber belt ［J］. Journal of Vibration ，Measurement & Diagnosis， 2018 ， 38 （ 1 ）： 111 - 114 . （In Chinese）

夏剑冬，徐滨，廖昕 . 双基发射药黏弹特性与本构模型研究［J］. 含能材料， 2023 ， 31 （ 11 ）： 1124 - 1133 .

XIA Jiandong ， XU Bin ， LIAO Xin . Viscoelastic properties and constitutive model of double-base propellant ［J］. Chinese Journal of Energetic Materials ， 2023 ， 31 （ 11 ）： 1124 - 1133 . （In Chinese）

张义同 . 热粘弹性理论［M］. 天津：天津大学出版社， 2002 ： 9 - 10 .

ZHANG Yitong . Theory of thermo-viscoelasticity ［M］. Tianjin ： Tianjin University Press ， 2002 ： 9 - 10 . （In Chinese）

杨挺青 . 粘弹性力学［M］. 武汉：华中理工大学出版社， 1990 ： 8 - 19 .

YANG Tingqing . Viscoelastic mechanics ［M］. Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology Press ， 1990 ： 8 - 19 . （In Chinese）

董满生，余志平，鹿婧，等 . 考虑温度效应的沥青混合料粘弹性力学模型［J］. 固体力学学报， 2014 ， 35 （增刊1 ）： 165 - 172 .

DONG Mansheng ， YU Zhiping ， LU Jing ， et al . Viscoelastic constitutive model of asphalt mixture considering temperature effect ［J］. Chinese Journal of Solid Mechanics ， 2014 ， 35 （ Suppl.1 ）： 165 - 172 . （In Chinese）

LIU B ， XING Y F . Exact solutions for free vibrations of orthotropic rectangular Mindlin plates ［J］. Composite Structures ， 2011 ， 93 （ 7 ）： 1664 - 1672 .

马建章 . 基于Workbench的导电橡胶Mooney-Rivlin参数拟合与应用［J］. 无线电工程， 2017 ， 47 （ 10 ）： 79 - 82 .

MA Jianzhang . Mooney-Rivlin parameter fitting and application of conductive rubber based on Workbench ［J］. Radio Engineering ， 2017 ， 47 （ 10 ）： 79 - 82 . （In Chinese）

ZHU H ， HU Y M ， LI C L ， et al . A simplified three-dimensional finite element model of serpentine belt and its application into a belt driving system ［C］// SAE Technical Paper Series . 400 Commonwealth Drive ， Warrendale，PA，United States ： SAE International ， 2015 ： 1 - 7 .

浏览量

103

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

不同温度环境下复合材料/金属混合壁板结构热应力试验研究

4种柔性铰链的温度效应比较分析