免充气轮胎蜂巢结构性能数值模拟分析

李凡双 高振明 王 敏 戚丽丽0 引言随着车速的提升及车辆使用环境的扩展，对轮胎性能的要求不断提高。在军事和采矿等特殊行业中，普通充气轮胎常因无法承受反复撞击而丧失性能，从而影响工作任务的进行[2]。免充气型轮胎具有抗扎、防爆、耐磨等特点，从根本上解决了爆胎问题。随着法国米其林公司免充气Tweel 轮胎的生产，免充气轮胎逐渐受到关注，成为一种新的轮胎发展趋势[3,4]。目前，主要以安全性和舒适度作为衡量轮胎性能优异的标准。在现有为数不多的免充气轮胎中，蜂巢结构轮胎应用仿生原理，以蜂巢状六边形结构替代轮胎充气部分，具有与普通充气轮胎相当的支撑和减振作用[4,5]。同时，蜂巢轮胎采用性能优越的弹性功能橡胶材料，结合其仿生学结构，可极大提高轮胎的安全性能，具有广阔的未来市场需求。免充气轮胎通过蜂巢结构的变形以吸收外力，实现减振，其蜂巢结构由结构单元沿周向阵列而得到（如图1 所示），定义蜂巢结构六边形各边为分隔板，蜂巢结构单元的阵列个数为蜂巢密度[6]，以方便进行描述和分析。本文通过改变免充气轮胎蜂巢结构单元尺寸，借助SolidWorks 建立7 种不同蜂巢结构的三维轮胎模型，根据蜂巢单元圆周分布个数定义蜂巢密度分别为12、14、16、18，分隔板厚度分别取6 mm、7 mm、8 mm、9 mm，利用Ansys Workbench 软件构建对应有限元分析模型，对轮胎胎体结构及其负载下的力学性能进行分析。图1 免充气轮胎蜂巢结构示意图1 免充气蜂巢轮胎模型的建立根据蜂巢轮胎的结构特点，通过SolidWorks 建立相应的几何模型，包括蜂巢轮胎模型及做接触分析时所需刚性地面模型，再将模型导入Ansys Workbench 中进行数值模拟分析。其前处理主要包括定义材料属性、单元选择、网格划分及载荷边界条件的确定等。1.1 材料模型由于免充气蜂巢轮胎的轮毂与轮胎属于固定接触，因此本研究将轮胎内表面与轮辋的接触采用固化处理，地面视为刚体[8]。文中蜂巢轮胎所用材料为新型弹性功能橡胶，其材料力学性能受多种因素影响，基于各项同性假设，本构模型采用两参数的Moony-Rivlin 模型（材料参数见表1），其方程可描述为式中：W 为应变能密度，C 10 和C 01 为Rivlin 系数，I 1 为第一Green 应变不变量，I 2 为第二Green 应变不变量。表1 蜂巢轮胎Moony-Rivlin 模型的材料参数1.2 单元选择及网格划分权衡计算精度及数据变化梯度等因素，对蜂巢轮胎及地面模型进行高质量的网格划分。如图2 所示，进行有限元分析时，轮胎模型选用Solid 186 单元模拟；接触图2 蜂巢轮胎网格划分模型分析时，选用Conta 173 和Targe 170 单元分别模拟轮胎接触面和刚性地面[9]。1.3 加载及边界条件由于轮胎与地面间是作用力与反作用力的关系，因此加载方式采用轮胎不动（即将胎圈约束），在地面作用集中力的方法[9]。将胎圈固定在上，其接触部分设置为固定约束；对刚性地面上的节点施加XY 方向的约束，确保在地面作用垂直载荷后，地面仅沿Z 轴移动；对刚性地面施加5 000 N 垂直载荷，方向指向轮胎中心。因蜂巢轮胎与地面接触时涉及材料、几何与接触三种非线性问题[10]，故选用Augmented 拉格朗日方程作为接触算法，借助Interative 迭代求解器进行求解。2 数值模拟结果分析2.1 蜂巢密度对蜂巢结构应力- 应变的影响分隔板厚度为6 mm，蜂巢密度分别为12、14、16和18 的蜂巢轮胎，在5 000 N 垂直载荷作用下的应力分布情况如图3 所示。由图可知，不同蜂巢密度的四种轮胎模型受力后发生变形的位置各不相同，应力分布及应力水平也有所差异。蜂巢密度为12 时，蜂巢结构变形较大，高应力区集中分布在分隔板之间的连接处；蜂巢密度为14 时，高应力区主要集中在变形较大分隔板的中间弯折区域内侧；蜂巢密度为16 时，位于蜂巢结构中部的分隔板变形较大，高应力区分布在该分隔板弯折区域内侧；蜂巢密度为18 时，蜂巢结构整体变形较小，高应力区对称分布在正下方蜂巢两侧变形较大的分隔板弯折区域内侧。如图4 所示，四种不同蜂巢密度的免充气蜂巢轮胎的应变分布变化情况与其应力情况类似，高应变发生位置与高应力区大致相同。根据数值模拟结果，绘制出轮胎极限应力－应变随蜂巢密度变化图。由图5 可知，随蜂巢密度的增加，轮胎极限应力与应变变化呈先增后减再增的趋势，蜂巢密度为16 时，其极限应力和应变值最小。（ａ）蜂巢密度12 （ｂ）蜂巢密度14 （ｃ）蜂巢密度16 （ｄ）蜂巢密度18图3 不同蜂巢密度轮胎的蜂巢胎体应力分布（ａ）蜂巢密度12 （ｂ）蜂巢密度14 （ｃ）蜂巢密度16 （ｄ）蜂巢密度18图4 不同蜂巢密度轮胎的蜂巢胎体应变分布图5 极限应力－应变随蜂巢密度变化图综上分析，随蜂巢密度的增加，蜂巢轮胎的整体变形及整体应力－应变水平逐渐减小，即增大蜂巢密度可增强轮胎的承载能力。但结合图5 可知，蜂巢密度为16 时，其极限应力和应变水平最低，而蜂巢密度为18 的轮胎极限应力及应变值约为蜂巢密度为16 时的1.3倍，同时，蜂巢密度为16 时分隔板受力相对均匀，故应尽量将蜂巢密度控制在16 左右，以降低轮胎使用过程中因应力集中造成的损坏，延长其使用寿命。在此基础之上，根据承载要求确定分隔板厚度。2.2 分隔板厚度对蜂巢结构应力- 应变的影响蜂巢密度为16，分隔板厚度分别为6 mm、7 mm、8 mm 和9 mm 的蜂巢轮胎，在5 000 N 垂直载荷作用下的应力分布情况如图6 所示。由图6 可知，在相同负载下，分隔板厚度不同，其应力分布及应力水平均发生了相应变化。随着分隔板厚度的增加，蜂巢结构变形量明显减小，应力整体水平呈下降趋势；分隔板厚度为6 mm 时，蜂巢结构变形较大，高应力区分布在中间变形较大分隔板内侧及分隔板之间相交的节点处；分隔板厚度为7mm 时，高应力区主要分布在中间分隔板内侧及分隔板与胎面的接触部位；当分隔板厚度增加至8 mm 以后，蜂巢结构变形较小，高应力区主要分布在分隔板与胎面的接触部位。图7 为四种不同分隔板厚度的蜂巢轮胎在5 000 N垂直载荷作用下的应变分布，由图可知，其应变与应力分布变化情况类似，产生高应变的区域位置与高应力区基本一致。随着分隔板厚度的增加，蜂巢结构变形减小，应变整体水平呈下降趋势，高应变区由中间变形较大分隔板内侧及分隔板之间相交节点处逐渐转移到分隔板与胎面的接触部位。（ａ）分隔板厚度6 mm （ｂ）分隔板厚度7 mm （ｃ）分隔板厚度8 mm （ｄ）分隔板厚度9 mm图6 不同分隔板厚度轮胎的应力分布（ａ）分隔板厚度6 mm （ｂ）分隔板厚度7 mm （ｃ）分隔板厚度8 mm （ｄ）分隔板厚度9 mm图7 不同分隔板厚度轮胎的应变分布2.3 分隔板厚度对轮胎接地性能的影响如图8 所示，分析四种不同分隔板厚度的蜂巢结构轮胎在5 000 N 垂直载荷作用下，其接地印迹应力分布变（ａ）分隔板厚度6 mm （ｂ）分隔板厚度7 mm （ｃ）分隔板厚度8 mm （ｄ）分隔板厚度9 mm图8 不同分隔板厚度轮胎的接地应力分布化情况。从接触印迹的应力分布云图可以看出，在相同垂直载荷作用下，随分隔板厚度的增加，蜂巢轮胎接地应力水平逐渐降低，接地印迹应力横向范围逐渐向中心节点收缩，纵向范围基本保持不变，印迹中心节点处应力始终相对较小；分隔板厚度为6 mm 和7 mm 时，应力较大位置成类椭圆形沿纵向对称分布在中心节点两侧；当分隔板厚度增至8 mm 和9 mm 时，轮胎横向方向出现应力较大位置，基本呈中间低四周高的状态分布。综合分析分隔板厚度对蜂巢结构应力- 应变及轮胎接地性能的影响可得，增加分隔板厚度可提高免充气蜂巢轮胎的承载能力，延长其使用寿命，但当分隔板厚度增加至8 mm 后，蜂巢轮胎接地应力分布转变为中间低四周高的分布状态，乘坐舒适度随之降低。过度增加分隔板厚度不仅增加材料成本，同时将削弱轮胎的性能。因此，应根据实际需求，选择合适的分隔板厚度。3 结论1） 蜂巢轮胎的承载能力与蜂巢密度正相关，但轮胎所受极限应力及应变随蜂巢密度的增加呈先增后减再增的趋势，当蜂巢密度为16 时，其应力和应变整体水平较低，分隔板受力相对均匀，故蜂巢密度为16 的免充气轮胎是四种蜂巢密度轮胎中结构最优者；2） 增加分隔板厚度可提高蜂巢轮胎的承载能力，延长轮胎使用寿命，但当分隔板厚度增加至8 mm 后，蜂巢轮胎接地应力分布转变为中间低四周高的分布状态，过度增加分隔板厚度将使轮胎减振性变差，乘坐舒适度降低；3） 免充气蜂巢轮胎的蜂巢密度及分隔板厚度直接影响轮胎的性能，根据实际需求，可借助此类模拟分析方法，探索出最优的蜂巢结构单元，以保证轮胎承载能力的同时延长其使用寿命。举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章硬派越野车改装配件推荐 之初级入门篇轮胎到底能用多少年，修车师傅，80%的人都被4S店忽悠了冬季养车不用愁，记住这4个小妙招，用车安全又省心养车并不一定越省越好，这4点汽车保养，值得你多花点钱车开多少公里轮胎要换位，修车工超过这里程，再贵的车都会爆胎

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