Fatigue in textile cords reinforced rubber composites

Textile cords reinforced rubber composites constitute the structural core of pneumatic tyres. Under compressive-tensile deformations, the main damaging mechanism is the creation and propagation of kink bands, defects generated by localized buckling in the oriented fibre structure. Laboratory tests are used to reproduce fatigue conditions on samples. The bend over sheave test constitutes the current standard for the investigation of compressive-tensile fatigue. However, experimental evidence has proved that it leads to an overestimation of the life of textile cords. Two alternatives are proposed in this study: the High Flexion Fatigue Test and the De Mattia test. Both are currently used for other applications but they can be adapted to this problem with few modifications. The mechanics of these three tests are analysed and compared in this work. Firstly, macro-scale simulations, in which a textile cord is modeled as a homogeneous solid, are performed employing the finite element software Abaqus. The main outcome is that the bend over sheave test, with respect to its alternatives, is able to reproduce less significant values of cord compressive strain, while also exposing the matrix to cleavage degradation. The contact pressure with the sheave is found to be responsible for these discrepancies. Following a multi-scale approach, the effect of transverse pressure is investigated through filament scale simulations. Textile cords are modeled as beam assemblies with their contact-friction interactions, employing the in-house software Multifil. It is found that a transverse pressure restricts the movement of single filaments inside the cords, not allowing them to bend locally and experience high compressive strains, which induce the nucleation of kink bands. The two proposed tests, avoiding any contact phenomena with the sample, potentially open the field for a new testing modality. These are put into practice as prototype experiments. Tensile testing on fatigued cords shows a significant loss of breaking strength. Moreover, preliminary scanning electron microscope (SEM) observations show filament fractures that are coherent with kink band damaging.

I compositi di gomma rinforzata con corde tessili costituiscono il nucleo strutturale dei pneumatici. Sotto le deformazioni di compressione-trazione, il principale meccanismo di danneggiamento è la creazione e propagazione di kink bands, difetti generati dall’instabilità localizzata nella struttura della fibra orientata. I test di laboratorio vengono utilizzati per riprodurre le condizioni di fatica sui campioni. Il bend over sheave test costituisce lo standard attuale per lo studio della fatica a compressione-trazione. Tuttavia, prove sperimentali hanno dimostrato che porta a una sopravvalutazione della vita delle corde tessili. In questo studio vengono proposte due alternative: l’ High Flexion Fatigue Test e il test di De Mattia. Entrambi sono attualmente utilizzati per altre applicazioni ma possono essere adattati per questo problema con poche modifiche. La meccanica di queste tre prove viene approfondita e confrontata in questo lavoro. In primo luogo, delle simulazioni a macro-scala, in cui una corda tessile è modellata come un solido omogeneo, vengono eseguite utilizzando il software agli elementi finiti Abaqus. Il risultato principale è che il bend over sheave test, rispetto alle sue alternative, è in grado di riprodurre valori meno significativi di deformazione compressiva delle corde, mentre anche espone la matrice alla degradazione del clivaggio. La pressione di contatto con la puleggia risulta essere responsabile di queste discrepanze. Seguendo un approccio multiscala, l’effetto di una pressione trasversale viene studiato attraverso simulazioni su scala di filamenti. Le corde tessili sono modellate come assiemi di beam con le loro interazioni di attrito e contatto, utilizzando il software interno Multifil. Si è riscontrato che una pressione trasversale limita il movimento dei singoli filamenti all’interno delle corde, non consentendo loro di piegarsi localmente e subire elevate sollecitazioni di compressione, che inducono la nucleazione di kink bands. I due test proposti, evitando qualsiasi fenomeno di contatto con il campione, aprono potenzialmente il campo a una nuova modalità di test. Questi vengono messi in pratica come esperimenti prototipo. Le prove di trazione su corde sottoposte a fatica mostrano una significativa perdita di resistenza alla rottura. Inoltre, le osservazioni preliminari al microscopio elettronico a scansione (SEM) mostrano fratture dei filamenti coerenti con il danneggiamento da kink band.