帶復雜胎面花紋的子午線輪胎有限元分析

馮琳閣，朱作勇，馮希金，周 進，王亦菲，朱新靜

（賽輪金宇集團股份有限公司，山東 青島 266555）

輪胎是汽車的重要部件之一，它直接與路面接觸，起支撐作用，保證車輪與路面有良好的附著性，提高汽車的牽引性、制動性和通過性。由于橡膠輪胎復雜的材料非線性、結構非線性和接觸非線性，大大增加了有限元分析的難度，因此傳統輪胎有限元分析往往忽略胎面花紋或只考慮周向花紋溝槽。然而，胎面花紋是輪胎的重要組成部分，對輪胎的行駛性能和使用壽命有直接的影響[1]。不考慮胎面花紋的分析結果與實際情況會有一定的差別，并且花紋的相關性能得不到體現，只有計及復雜胎面花紋的輪胎結構有限元分析才能給出更為準確可靠的結果。

本工作基于Abaqus有限元分析軟件，采用組合模型技術，對帶有復雜胎面花紋的205/55R16半鋼子午線輪胎模型進行有限元分析[2]，并與實際輪胎的試驗測試結果進行驗證對比，同時與光面輪胎模型計算結果對比，以考察復雜花紋對輪胎結構受力變形的影響，為胎面花紋優化和輪胎性能評價提供依據。

1 有限元分析模型

1.1 胎面花紋部分建模

胎面花紋部分通過CATIA軟件進行三維花紋塊建模，如圖1所示。

圖1 花紋塊的實體模型

將花紋塊模型導入到Abaqus CAE軟件中對其進行網格劃分，如圖2所示。

圖2 花紋塊的網格模型

花紋塊網格模型共有2 011個單元、3 907個節點。最后將胎面花紋導入到Abaqus軟件中，進行網格劃分和材料屬性定義。

1.2 包含復雜胎面花紋的輪胎模型

將輪胎模型分為兩部分，一部分是胎面花紋，另一部分是輪胎主體。輪胎主體部分建立軸對稱模型，將骨架材料以rebar的形式嵌入橡膠單元，施加邊界條件，生成二維軸對稱充氣模型。對于胎面花紋部分，構建一個節距的花紋三維模型，并劃分網格，定義胎面單元集合、胎面上下表面集合，定義胎面材料并賦予材料屬性。將胎面花紋部分與輪胎主體部分通過*Tie命令綁定在一起，其中輪胎主體部分使用*Symmetric Model Generation命令旋轉一個花紋節距的角度，本研究中周向角度為5.454 545°，最后形成一個節距的輪胎整體扇形模型，如圖3所示。

圖3 一個節距的輪胎整體扇形模型

最后，再次使用*Symmetric Model Generation命令，將扇形體周期性鏡像66份，得到整個輪胎模型，如圖4所示。

圖4 輪胎整體花紋模型

2 計算結果與模型驗證

為驗證模型的正確性，進行兩方面的驗證。

（1）在充氣壓力180 kPa下，輪胎的斷面寬和外直徑有限元計算與試驗結果對比如表1所示。

從表1可以看出，復雜花紋輪胎有限元仿真結果與試驗數據一致性非常好，斷面寬的偏差率為0.5%，外直徑的偏差率為0.09%，說明有限元模型是正確的。

表1 充氣斷面寬和外直徑有限元計算與試驗結果對比

（2）在充氣壓力300 kPa，負荷率（標準負荷615 kg）分別為60%，80%，100%和120%下的接地數據對比如表2所示，接地印痕如圖5—7所示。

圖5 不同負荷率下花紋輪胎試驗接地印痕

圖6 不同負荷率下光面輪胎有限元分析接地印痕

圖7 不同負荷率下花紋輪胎有限元分析接地印痕

表2 接地數據仿真與試驗結果對比

從表2可以看出，光面輪胎、花紋輪胎有限元計算的接地長短軸與試驗長短軸吻合度較好。光面輪胎的有限元計算接地面積與花紋輪胎試驗接地面積偏差較大，花紋輪胎的有限元接地面積與試驗接地面積吻合度較好。因此，花紋輪胎的有限元模型有效性更好。

3 光面輪胎與花紋輪胎內部材料受力對比分析

3.1 帶束層橡膠受力

對復雜胎面花紋205/55R16輪胎模型進行輪輞裝配、充氣、靜負荷工況的模擬，與光面輪胎在同等工況下的模擬計算結果進行對比，分析胎面花紋對輪胎內部受力的影響，本研究對帶束層橡膠受力進行了詳細對比，以考察復雜花紋對帶束層橡膠的影響。

靜負荷（615 kg）下接地斷面上從子午面中心到端部的1#帶束層橡膠受力分布如圖8和9所示。

圖8 1#帶束層橡膠所受剪應力S13對比

由圖8和9可以看出，1#帶束層橡膠所受剪應力S13（1，3表示方向）、應變能密度均在帶束層端部出現最大值后急劇下降。花紋輪胎所受剪應力S13、應變能密度最大值小于光面輪胎。

圖9 1#帶束層橡膠所受應變能密度對比

靜負荷（615 kg）下接地斷面上從子午面中心到端部的2#帶束層橡膠受力分布如圖10和11所示。

圖10 2#帶束層橡膠所受剪應力S13對比

圖11 2#帶束層橡膠所受應變能密度對比

由圖10和11可以看出，2#帶束層橡膠所受剪應力S13、應變能密度均在帶束層端部出現最大值。花紋輪胎所受剪應力S13、應變能密度最大值大于光面輪胎，該BH15花紋的存在使2#帶束層橡膠受力有增大的趨勢。

3.2 靜負荷下接地壓力

為研究花紋對接地壓力的影響，對比光面輪胎與復雜花紋輪胎的接地印痕和接地壓力分布，輪胎充氣壓力為300 kPa，所加載荷為615 kg，分析結果如圖12所示。

由圖12可以看出花紋對接地壓力分布的影響，復雜花紋輪胎胎肩部位接地壓力明顯增大，且接地壓力最大值及分布不均勻性有所增加。復雜花紋對接地印痕形狀也有一定的影響，接地短軸相差不大，接地長軸明顯增大。

圖12 光面輪胎與復雜花紋輪胎的接地印痕和接地壓力分布對比

4 結論

本研究分別建立了帶有復雜胎面花紋的輪胎有限元模型、光面輪胎有限元模型，并與實際輪胎的外輪廓、接地印痕進行了對比。結果表明，光面輪胎模型在接地面積、印痕形狀上相差較大，復雜花紋輪胎模型與實際結果吻合較好。

考察花紋對輪胎結構受力特征的影響，對花紋輪胎、光面輪胎帶束層橡膠受力進行對比，結果表明胎面花紋對1#和2#帶束層橡膠受力情況均有明顯影響。

對于接地性能，復雜花紋的存在使輪胎的接地壓力分布不均勻性和接地壓力增大。因此，在對輪胎進行胎冠部位橡膠受力和接地性能分析時考慮帶胎面花紋的有限元模型是有必要的。