挤出是聚合物材料的基本成型工艺之一,子午线轮胎的一些重要半成品部件,例如胎面,便是通过挤出成型的。由于流体弹性的存在,轮胎胶料在离开挤出口模后会出现明显的胀大,使得挤出物的截面形状与口模出口处的截面形状不同,这样一来便增加了模具设计和工艺控制的难度。挤出工艺分析是轮胎工程界和学术界长期关注的一个具有挑战性的应用基础问题,尽管人们对此已经进行了长达几十年的研究,但至今尚未透彻理解轮胎胶料特殊的流变学行为,某些复杂挤出工艺的分析方法也有待完善。在这样的背景下,本文采用实验研究和数值模拟相结合的方法,开展了一系列的研究工作,试图针对轮胎生产中的挤出成型工艺提出一套完整有效的数值求解策略。利用动态剪切流变仪RPA2000、双料桶毛细管流变仪Rosand RH2200和旋转流变仪Physica MCR 301在宽广的剪切速率(频率)范围内对多种典型轮胎胶料进行了系统的流变学测试,较全面的揭示了胶料的剪切粘度、复数粘度、储能模量和损耗模量等随剪切速率、振荡频率、剪切应变和温度的变化关系。胶料的粘度会随着剪切速率的增加而减小,属于典型的剪切变稀流体,但在低剪切速率下却没有明显的牛顿粘度平台。当测试温度由80℃上升至100℃时,胶料的粘度会出现下降,但随着温度的进一步升高,由温度变化引起的粘度差异越来越小。颗粒填充会影响胶料粘弹性行为的线性,硫化体系则不会。此外,利用Cox-Merz关系对稳态和动态粘度数据进行比较发现,毛细管流变仪和旋转流变仪测得的剪切粘度均低于动态剪切流变仪测得的复数粘度。基于流变学测试结果,先后利用Carreau模型和Phan-Thien-Tanner (PTT)模型对轮胎胶料的流变学行为进行了纯粘性和粘弹性表征,并在通过建立毛细管挤出的有限元模型考察了牛顿流体、剪切变稀流体和粘弹性流体的挤出胀大行为。对于牛顿流体和剪切变稀流体,轻微的胀大现象来自挤出前后速度场的重新分布,牛顿流体的挤出胀大比为常数,剪切变稀流体的胀大比随着体积流量的增加逐渐减小。对于粘弹性流体,挤出胀大现象产生的主要原因是高Weissenberg数下流体的弹性回复。粘弹性模型计算出的挤出胀大现象更为明显,且胀大比会随着体积流量的增加而增加,与实际相符,说明相比纯粘性Carreau模型,粘弹性PTT模型更适合轮胎胶料挤出工艺的数值模拟。此外,为分析壁面滑移对毛细管测量的影响,建立了毛细管流变仪的有限元模型。仿真结果表明,壁面滑移的存在会使毛细管流变仪测得的剪切粘度偏小,从而揭示了实验中动态和稳态粘度曲线间存在偏差的原因。针对计及挤出胀大的共挤出问题的求解,首次提出了一种分步迭代方案,解决了同时计算挤出物自由表面和材料交界面变形所存在的困难。结果显示,受挤出物胀大和弯曲的影响,挤出物下游的材料交界面形状与口模出口处的交界面形状存在明显差异,表明了计及挤出胀大段的必要性。利用任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)方法建立了轮胎胎面单挤出成型和共挤出成型的有限元模型,模拟得到的挤出物截面轮廓和材料交界面形状均与试验结果符合良好,只在局部存在一定差异。此外,还利用流体体积(volume of fluid,VOF)方法建立了轮胎胎面单挤出成型的有限元模型,该方法能够描述胎面挤出的动态过程并计及传送带牵引对挤出物截面形状的影响,但对比ALE方法的计算结果发现,在同样的网格尺度下,VOF方法的计算精度相对较差。针对矩形挤出物建立了口模数值逆向设计的有限元模型,发现设计出口模尺寸会随着体积流量的增加而减小,随着壁面滑移程度的提高而增大。在仿真结果的基础上,利用数控机床将设计出的口模加工成实物并安装在挤出机上进行了挤出试验,发现在高体积流量下,挤出物的截面形状对挤出速度的变化不敏感。此外,测试获得的挤出物轮廓略小于数值逆向设计中的目标轮廓。为分析差异产生的原因,建立了正向挤出模型并加大了模具壁面的滑移程度。提高滑移程度后,挤出物的轮廓更加接近测试结果,可见在口模的数值逆向设计中,必须选择合理的滑移模型和参数才能获得准确的模具形状。最后对全文工作进行了总结,并对今后的研究工作进行了展望。