基于有限元分析的非充气轮胎接地特性研究

　　摘要： 为实现新型非充气轮胎环形增强带的结构设计，对非充气轮胎接地特性进行了研究。在充分理解环形增强带结构与理论的基础上，运用有限元分析(finite element analysis，FEA)法，建立基于各向异性材料、B21梁单元、帘线带束结构的环形增强带模型，并对其接地印迹压力分布的力学特性与仿真分析进行对比，分析了辐条刚度、加强层材料对接地印迹压力分布的影响。研究结果表明，轮胎的接地印迹长度随辐条刚度的增大而增大;基于B21梁单元、帘线带束结构的加强层材料周向刚度大，拉伸应变很小，此时环形增强带的变形主要以剪切变形为主，从而使接地印迹压力均匀分布;基于各向异性材料的加强层材料弯曲刚度小，此时环形增强带的变形主要以弯曲变形为主，使接地印迹压力均匀分布。该研究为非充气轮胎环形增强带的结构设计及优化等提供了理论参考。

　　关键词： 非充气轮胎; 加强层; 接地印迹; 有限元法

　　1888年，J.B.Dunlop发明了橡胶空心轮胎，这是世界上最早的充气轮胎，其凭借粗糙路面上的低能量损耗、小的垂向刚度、接地印迹压力和质量优势，已占据世界轮胎市场100多年。然而充气轮胎的结构特点决定其存在刺破受损、难以保持胎压稳定和制造工艺复杂等问题[1 2] 。而非充气轮胎因结构与材料的无限可能，消除了充气轮胎在设计上的缺陷，具有较大的设计空间，已成为研究的热点和重点，而且凭借其抗爆性，得到国内外各大轮胎公司的青睐，具有广阔的市场和发展前景[3] 。近年来，为提高轮胎的安全性能，国内外相关研究机构提出了仿生轮胎[4 5] 、米其林的Tweel车轮[6 7] 、蜂巢车轮[8 9] 等方案。Ju Jachyung等人[10] 分析了一种蜂巢结构的环形增强带对接地印迹压力分布的影响，发现环形增强带上负的蜂巢角度在能够实现面内剪切特性的同时，降低接地印迹内的压力分布，为环形增强带的结构及材料设计提供了一种新的思路;M.Veeramurthy等人[11] 研究了环形增强带剪切模量对滚动阻力、垂向刚度、最大接触压力及接地印迹压力分布的影响，随着剪切模量的增加，滚动阻力降低，径向刚度线性增加，最大接触压力缓慢增加，接地印迹长度减小，压力分布不均匀程度增加;Jin Xiaochao等人[12] 基于非线性有限元分析软件ABAQUS，分析了蜂巢角度对接地印迹压力分布、承载特性及滚阻特性的影响，发现在相同壁厚的条件下，最大应力与蜂巢角度呈正相关，承载能力与蜂巢角度呈负相关，在相同承载能力下，滚动阻力和蜂巢结构质量与其角度呈正相关。环形增强带的作用可以使非充气轮胎在接地区域压力均匀分布，接地印迹压力分布对车辆的平顺性、操纵稳定性及磨损具有重要影响[13] 。轮胎接地区域压力过高，会使轮胎快速磨损，从而减少使用寿命;轮胎接地区域压力过小，会使轮胎难以控制，从而降低车辆的操纵稳定性[14 15] 。因此，有必要对接地印迹机理进行深入研究。本文在充分理解理论的基础上，运用非线性有限元法，建立了基于各向异性材料、B21梁单元、帘线带束结构的3种环形增强带模型，通过对理论与仿真的一致性分析，得到非充气轮胎接地机理的理论。该研究为新型结构非充气轮胎环形增强带的设计提供了基础。

　　1 辐条刚度对接地印迹长度影响研究

　　1.1 不同辐条刚度下接地印迹长度力学特性分析

　　辐板结构非充气轮胎如图1所示。辐板结构主要由胎面、增强环形带、辐板和轮辋组成，其中增强环形带类似于三明治结构(见图1b所示)，由内外加强层130，140及中间的剪切层120组成，加强层周向拉伸模量远大于剪切层剪切模量，使變形主要由剪切层承担。当环形增强带在接地区域变平时，圆弧形状变为直线，由于强化层拉伸模量大，不可伸展，环形增强带沿圆周方向总长度不变，因此必须考虑圆弧曲线变为直线后多出来的长度[16] ，两种方式可以容纳额外的长度。

　　辐条刚度对接地印迹长度力学特性分析如图2所示。由于外环周向不可拉伸，当辐条刚度较小时，作用相当于弱弹簧，此时辐条拉力较小，则多余的长度主要增加到非接地区域的圆周部分，使环形增强带的半径增加，此时接地印迹长度较短。

　　由图2可以看出，当辐条刚度较大时，辐条充当刚性弹簧，此时辐条拉力较大，非接地部分环形增强带难以增加直径，而接地部分不受拉力，则多余的长度主要增加到环形增强带的接地区域进行周长补偿，此时接地印迹的长度较长。

　　1.2 不同辐条刚度下接地印迹长度仿真分析

　　不同辐条刚度的接地印迹长度仿真分析结果如图3所示，接地印迹长度为模型与地面接触的宽度。仿真模型环外径为300 mm，泊松比为0.3，辐条长度为100 mm，弹性模量为100 MPa，泊松比为0.45，外环单元类型为梁单元，辐条单元类型为桁架单元。桁架辐条只承受拉力，不承受压力[17] 。

　　由图3b可以看出，当辐条的弹性模量分别为100，200，300 MPa时，接地印迹长度分别为148，198，247 mm。随着辐条刚度的增加，接地印迹长度增加，仿真分析结果与力学特性分析完全一致。

　　2 加强层材料对接地印迹压力分布影响研究

　　2.1 环形增强带力学特性分析

　　针对环形增强带，研究者将环形增强带等效为梁，该梁为剪切梁，由两个不可拉伸的薄膜组成，由一个低 剪切模量的弹性层将两层膜分离。剪切梁在弯曲时会完全变形，同时环形增强带的物理行为表现为几乎全部发生剪切变形[16] 。

　　剪切梁受力变形为平面，路面接触时剪切层变形如图4所示。由于内外加强层轴向不可拉伸，当与路面接触时，内加强层与外加强层相比较短，则两加强层之间的剪切层需要发送剪切变形进行补偿，剪切层剪切应变为

　　γ xz =-tan -1 (R 2 θ-R 1 θ)/h = -tan -1 (hθ/h)=-tan -1 θ (1)

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文章名称： 基于有限元分析的非充气轮胎接地特性研究

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