阻車網地釘對汽車輪胎作用的動態有限元分析

何湘，倪君杰

（公安部第一研究所，北京100048）

【機械制造與檢測技術】

阻車網地釘對汽車輪胎作用的動態有限元分析

何湘，倪君杰

（公安部第一研究所，北京100048）

在公安警衛勤務中用阻車網攔截車輛的過程中，當地釘最大程度的損傷輪胎，且迫使車輛在較短距離內停止時，才能有效地攔截到車輛并保證車內人的安全。因此研究不同地釘對輪胎破壞及地釘自身損傷具有重要意義。分別數值模擬了3種外形、3種高度的地釘及5種釘頭高度的地釘，并比較分析當輪胎以同一速度行駛時不同地釘對輪胎的阻礙作用及地釘自身應力分析。有限元仿真結果表明：對于高度相同的地釘，三側面釘頭對輪胎運動的阻礙作用最強；相同釘頭的地釘，3種模擬高度中，地釘高度越高對輪胎阻礙作用越強；對相同釘頭的地釘，地釘的損傷情況隨著高度的增加而增加；釘頭形狀為圓錐形時最易發生塑性變形，釘頭為三面和四面時，塑性變形差別不大；釘頭高度為20 mm時對輪胎的破壞作用最強。

地釘；輪胎；有限元分析；動態特性

在公安警衛勤務工作中，經常遇到犯罪嫌疑人駕車逃逸的情況。犯罪嫌疑人駕車逃逸會對公民的生命及財產安全造成極大的損傷，因此需要在最短的時間內迫使逃逸車輛停駛。追擊交通肇事逃逸者時，通常需要采用設置路障、布置路障或阻車網、使用破胎器等方式，迫使肇事車輛在攔截路段停下?，F有的阻車設備主要包括［1］：①八九式阻車釘；②便捷式路障破胎器；③遙控阻車釘；④阻車網；⑤剛性攔截系統。目前由于安全輪胎的出現單純的阻車釘并不能有效攔截裝有安全輪胎的汽車，又剛性攔截系統容易對車輛和乘員造成致命性傷害，阻車網是用于執行任務時，在道路上臨時鋪設，對沖卡車輛的輪胎實施穿刺、纏繞，強制使其不能正常行駛而達到有效、快速攔截（犯罪嫌疑）車輛的專用裝具。

阻車網既能增加攔截裝有安全輪胎的幾率又安全實用。在阻車網對車輛實行攔截的整個過程中，地釘對輪胎的破壞損傷強度對整個攔截的成功性非常重要：地釘刺入輪胎、牢固附著輪胎并且有效帶動網體，將網體纏繞在輪胎上從而迫使車輛停止行駛。因此研究地釘穿刺輪胎的有效性對阻車網的設計具有重要的指導作用。地釘的外形和高度對地釘的刺入輪胎的性能有重要影響，但通過實驗的方法研究不同地釘對輪胎的破壞作用是非常浪費人力財力的。隨著有限元技術的發展，至今有多種有限元模擬方法應用于輪胎的數值模擬［2-6］，采用有限元法對輪胎進行力學分析是近年來研究的熱點［7-9］。

運用Abaqus軟件對地釘刺入輪胎這一動態過程進行數值模擬，比較分析當輪胎以同一速度行駛時不同地釘對輪胎的阻礙作用和自身應力分析，為設計阻車網提供參考依據。

1 幾何模型

為了減少計算成本對輪胎模型做以下簡化處理：輪胎模型外層為橡膠，內部充氣。輪胎的幾何模型圖如圖1所示，模型參數為195/55 R15。3種外形及3種高度及5種釘頭高度的地釘的幾何模型如圖2：其中5種模型除總高度H外其他參數保持不變（h為20 mm，t為1.5 mm，r4為8.5 mm，r1為3.5 mm，r2為5 mm，r3為29.6 mm，r為3 mm，R為37.5 mm）；模型A、B、C的總高度不變（51.5 mm），地釘頭部分別為圓錐形、四側面和三側面；模型B、D、E地釘頭部外形相同，總高度H分別為51.5 mm、41.5 mm和61.5 mm，另外4種模型（F、G、H、I只有h與模型C不同，故不在圖2中顯示），（H-h）的值保持不變，釘頭外形均為三側面，釘頭高度不同；總結如表1所示。

2 FEM有限元模型

動態模擬車輛行駛速度為50 km/h，地面簡化為有限大剛體［10］，如圖3所示。由圖3知，地釘與輪胎、地面的相對位置以及相對尺寸大小都與實際情況相符。輪胎及地釘的網格剖分如圖4所示。

表1 5種地釘幾何參數

圖1 輪胎幾何模型

圖2 不同高度及外形的地釘幾何圖

圖3 輪胎、地釘、地面位置示意圖

2.1 邊界條件處理

輪胎與路面的接觸部分及地釘接觸輪胎的接觸部分為接觸邊界，不考慮輪子口部位與輪轂的接觸，因為主要對比研究不同地釘對輪胎的作用，故在保證設置條件及輪胎模型一致的情況下可對輪胎模型進行簡化處理。

2.2 輪胎性能參數及載荷工況

輪胎的材料屬性為超彈性材料，應變能密度函數采用Mooney-Rivlin模型［11］。地面和地釘材料屬性分別為剛體［12］和簡單的彈性變形體。輪胎與地面的摩擦系數為0.6（干燥情況）［13］，輪胎內壓為0.2 MPa［2］。模擬普通轎車，車重為1.5 t，模擬時只取1/4模型（即只模擬一個輪胎），則輪胎受到1/4車重的重力，車速為50 km/h。

圖4 有限元剖分

3 有限元結果分析

3.1 輪胎加速度、速度及能量損失

當輪胎以50 km/h的初速度撞向地釘時，由于地釘的阻礙作用，使得輪胎速度逐漸減小。圖5為5種不同規格地釘對輪胎產生阻力的變化規律。由圖5可知，阻力隨著時間的增加先增加后降低。當地釘逐漸靠近輪胎并逐漸進入輪胎的過程中地釘對輪胎的阻力逐漸增加，但是隨著釘頭逐漸發生塑形，釘尾逐漸出現損傷，這種阻礙作用便逐漸減弱，直到最后地釘隨著輪胎逐漸脫離地面。圖6為5種不同規格地釘對輪胎行駛速度的影響，圖7為5種不同規格地釘對輪胎損失動能的影響，表明C地釘模型使得輪胎能量的損失最大，其次是E模型；圖8為不同釘頭高度h的地釘對輪胎速度的影響，圖9為不同釘頭高度h的地釘對輪胎損失能量的影響；由圖5～圖7知，C、E兩個地釘模型的阻礙作用相較于其他3個模型較為顯著；由圖8～圖9知釘頭高度為20 mm時地釘的阻礙作用較強即模型C。

3.2 地釘塑性變形及損傷

地釘在攔截目標車輛時，當地釘刺入輪胎后，帶動網體纏繞在輪胎上從而迫使車輛停止行駛。首先要保證地釘在刺入輪胎前，釘頭部位盡量不出現或少出現塑性變形，因為塑性變形會大幅度降低釘頭的穿透作用。此外，還應該保證在釘子穿透輪胎之前，避免釘體受到彎曲作用，使地釘與下盤連接部位發生折斷。地釘剛接觸輪胎之后的0.5 μs時間內（假設這段時間，地釘沒有完全進入輪胎），分析地釘的受力云圖及釘頭的塑性變形情況。

圖5 5種不同規格地釘對輪胎加速度的影響

圖6 5種不同規格地釘對輪胎行駛速度的影響

圖7 5種不同規格地釘對輪胎損失能量的影響

圖8 不同釘頭高度h的地釘對輪胎速度的影響

圖9 不同釘頭高度h的地釘對輪胎損失能量的影響

圖10為不同模型中地釘的損傷云圖。當地釘總高度為61.5 mm時，地釘受到的應力最大，且最容易發生根部斷裂；相反，當地釘的總高度為41.5mm時，受到的應力最小，最不易發生斷裂。此外，圓錐形的釘頭最易發生塑性變形，三面和四面的釘頭的塑性變形差別不大。

圖10 不同規格地釘的損傷云圖

4 結論

通過對不同外形及高度的地釘進行有限元分析，比較了不同地釘對以恒定速度行駛的輪胎的阻礙作用及地釘自身塑性變形及應力云圖。對于高度相同的地釘，三側面釘頭對輪胎運動的阻礙作用最強；相同外形的地釘，3種模擬高度中，地釘高度越高對輪胎阻礙作用越強；對不同高度的釘頭，釘頭高度為20 mm時對輪胎的阻礙作用最強；對相同外形的地釘，地釘的損傷情況隨著高度的增加而增加；釘頭形狀為圓錐形時最易發生塑性變形，釘頭為三面和四面時，塑性變形差別不大?？傊珻模型（三側面高度為51.5）對輪胎阻礙作用強，且自身損傷程度較小，釘頭不易發生塑性變形，因此C模型地釘性能較為優越，可作為阻車網中地釘的參考模型。

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（責任編輯唐定國）

Dynamic Finite Element Analysis for Effect on Vehicle Tire of Ground Nail in Car Stopping Net

HE Xiang，NI Jun-jie
（The first Research Institute of the Ministry of Public Security of PRC，Beijing 100048，China）

In the public security guard duty with car stopping net to intercept vehicles，the greatest degree of damage to the tire and force the vehicle to stop in a short distance，so as to effectively intercept to the vehicle is ground nail.Therefore，it is significant to study the failure of automobile tires and the damage of the ground nail.Three kinds of nail shape，three kinds of nail height and five kinds of nail heads were simulated.Different blocking effect of nails to stop the same speed tire and its stress were also completed. Finite element Simulation results show：three side nail heads to stop car is the strongest for the same height of the nail；and for the same nail head nail，the higher the height of the ground nail，the better effect to stop the tire，but the damage of the ground nail increases with the increase of height；the conical nail head shapemost easily occurred plastic deformation，and the nail head for three and four sides occurred plastic deformation is not very different；and the nail head height of 20 mm to stop tire failure has the strongest effect.

ground nail；tire；finite element analysis；dynamic characteristics

何湘，倪君杰.阻車網地釘對汽車輪胎作用的動態有限元分析［J］.四川兵工學報，2015（11）：82-85.

format：HE Xiang，NI Jun-jie.Dynamic Finite Element Analysis for Effect on Vehicle Tire of Ground Nail in Car Stopping Net［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2015（11）：82-85.

U461.6

A

1006-0707（2015）11-0082-04

10.11809/scbgxb2015.11.022

2015-05-28

何湘（1973—），女，工程師，主要從事警用特種裝備的研發。