交錯結(jié)構(gòu)免充氣安全輪胎的靜態(tài)接地性能和疲勞壽命的有限元分析與預(yù)測

張?zhí)烊A，許 喆，王 偉，3*

（1.青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點實驗室，山東 青島 266042；2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100160；3.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

目前，安全輪胎的種類很多，根據(jù)不同條件的特殊性能要求，主要分為充氣型安全輪胎和免充氣型安全輪胎兩類[1-3]。通過比較發(fā)現(xiàn)，充氣型安全輪胎主要借助在輪胎氣腔內(nèi)部填充特殊粘性材料或剛性支撐體，當(dāng)輪胎出現(xiàn)破壞時，其可起臨時補救作用避免因輪胎突然失壓而造成嚴(yán)重的交通事故。這類安全輪胎普遍存在質(zhì)量大、續(xù)航里程短、行駛穩(wěn)定性和散熱性差的缺點。因此，輪胎研究者提出免充氣安全輪胎的概念。免充氣安全輪胎擺脫傳統(tǒng)充氣輪胎的限定，主要依靠非充氣實體結(jié)構(gòu)支撐輪胎滾動[4-5]。在多種類型的免充氣安全輪胎中，聚氨酯（PU）輪胎性能比較優(yōu)異，加工工藝相對簡單，胎面磨損后可更換，易于翻新，符合節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢。最具代表性的是2005年米其林公司發(fā)布的TWEEL免充氣安全輪胎。

本工作提出一種交錯結(jié)構(gòu)的免充氣安全輪胎，借助有限元分析軟件Abaqus對其靜態(tài)接地性能進(jìn)行分析，并采用德莫西亞疲勞試驗獲得輪胎支撐體材料的應(yīng)力（S）-疲勞壽命（N）曲線，以預(yù)測輪胎的疲勞壽命。

1 免充氣安全輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 輪胎有限元模型的建立

本交錯結(jié)構(gòu)免充氣輪胎的設(shè)計靈感來源于普利司通第2代免充氣概念輪胎和優(yōu)科豪馬的Youmyaku新型免充氣概念輪胎。

免充氣輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計參考王偉等[6-9]的設(shè)計方法，以11.00R20規(guī)格充氣子午線輪胎為參考，通過有限元分析軟件Abaqus建立免充氣安全輪胎三維有限元模型，如圖1所示。

圖1 免充氣安全輪胎結(jié)構(gòu)示意

該輪胎主要由胎面、支撐體結(jié)構(gòu)和輪輞三部分組成。以新型高分子材料作為輻板或網(wǎng)面支撐體結(jié)構(gòu)材料。在行駛過程中，胎面將受力傳遞給支撐體，從而達(dá)到與充氣輪胎相同的承載能力和減震效果。

本設(shè)計交錯結(jié)構(gòu)支撐體免充氣輪胎是將完整的支撐體結(jié)構(gòu)平均分成如圖1所示的1和2兩部分，兩部分結(jié)構(gòu)完全相同。將其中一半支撐體1裝配好后，將另一半支撐體繞輪胎中心線旋轉(zhuǎn)7.5°裝配到位置2，形成交錯結(jié)構(gòu)的支撐體。

1.2 材料參數(shù)

胎面膠的Yeoh本構(gòu)模型材料參數(shù)C10，C20和C30分別為0.658 165，-0.095 070和0.026 315 MPa。另外，支撐體部分采用聚氨酯材料，其參數(shù)的選取借鑒前人的處理方法，取應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)變?yōu)?0%時的割線斜率為彈性模量(19 MPa)，泊松比為0.45。

1.3 網(wǎng)格單元類型和邊界條件

將免充氣輪胎各部件裝配完整，輪胎內(nèi)部各部件之間采用Tie固定連接在一起，在輪輞中心施加邊界條件，使輪胎固定。所施加載荷為11.00R20充氣子午線輪胎的標(biāo)準(zhǔn)載荷34.79 kN。免充氣輪胎胎面和支撐體網(wǎng)格劃分均采用C3D8H雜交單元類型，路面和輪輞設(shè)定為剛體。設(shè)定輪胎與路面之間的摩擦因數(shù)為0.3。

2 靜態(tài)接地工況下的輪胎性能分析

免充氣輪胎在靜載荷下存在兩種接地情況，如圖2所示，交錯結(jié)構(gòu)免充氣輪胎在靜載荷下的垂直變形從圖中的標(biāo)尺可見，在位置1和2（在位置1的基礎(chǔ)上，支撐體整體旋轉(zhuǎn)3.75°）兩種不同結(jié)構(gòu)接地時，輪胎的垂直下沉量基本相同，兩者之間的差異非常小。

圖2 交錯結(jié)構(gòu)支撐體免充氣輪胎的垂直變形

交錯結(jié)構(gòu)支撐體免充氣輪胎的徑向剛度曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，免充氣輪胎處于兩種不同接地位置時的靜剛度曲線基本重合，并且與同規(guī)格充氣子午線輪胎的實測靜剛度曲線吻合良好，表明該結(jié)構(gòu)免充氣輪胎行駛穩(wěn)定性比較好。

圖3 交錯結(jié)構(gòu)免充氣輪胎與同規(guī)格充氣子午線輪胎靜剛度曲線的比較

對交錯結(jié)構(gòu)免充氣輪胎在標(biāo)準(zhǔn)載荷（34.79 kN）下的垂直變形、接地面積、平均接地壓力和最大接地壓力進(jìn)行分析，并與同規(guī)格充氣子午線輪胎進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

交錯結(jié)構(gòu)支撐體免充氣輪胎不僅在行駛平穩(wěn)性方面能滿足輪胎的正常使用要求，從表1還可以看出，免充氣輪胎在靜載荷下接地面積和平均接地壓力與充氣輪胎非常接近。從平均接地壓力和最大接地壓力兩組數(shù)值來看，免充氣輪胎的平均接地壓力略高于充氣輪胎。雖然平均接地壓力的增大會加劇胎面磨損，但免充氣輪胎最大接地壓力明顯小于充氣輪胎，說明免充氣輪胎的接地壓力分布更均勻，可以有效避免胎面由于接地不均勻而造成的局部磨損嚴(yán)重的問題。

表1 標(biāo)準(zhǔn)工況下交錯結(jié)構(gòu)免充氣輪胎接地特性模擬值與同規(guī)格充氣子午線輪胎實測值的比較

3 輪胎疲勞壽命分析

本研究免充氣輪胎主要結(jié)構(gòu)包括三部分，在疲勞壽命分析中，僅考慮中間部分聚氨酯支撐體的疲勞壽命，剛體輪輞與胎面暫不考慮在內(nèi)。在FE-SAFE中進(jìn)行聚氨酯支撐體的疲勞壽命預(yù)測，需要試驗獲得其S-N曲線。為更準(zhǔn)確地描述制品的疲勞壽命，使計算結(jié)果更精確，通常選用等加速試驗法獲取S-N曲線，但對預(yù)置裂口的聚氨酯啞鈴型試樣在疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行屈撓疲勞試驗時，發(fā)現(xiàn)帶裂口的試樣經(jīng)過幾次拉伸很快就斷裂失效。因此，對于聚氨酯材料，預(yù)置裂口試樣的疲勞壽命不具有參考性，在獲取S-N曲線時，僅對未加裂口的聚氨酯試樣進(jìn)行疲勞試驗，獲得的S-N曲線如圖4所示。

圖4 聚氨酯材料的S-N曲線

將擬合得到的S-N曲線按照FE-SAFE軟件要求，導(dǎo)入到“S-NCurve”材料包中，在分析疲勞壽命時，將其賦予到Material模塊中。將在Abaqus中模擬得到的.odb文件應(yīng)力場結(jié)果中最后一個分析步導(dǎo)入到FE-SAFE中，作為疲勞分析的主要應(yīng)力，載荷倍數(shù)設(shè)定為1，-1。分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 交錯結(jié)構(gòu)支撐體輪胎的疲勞壽命分析結(jié)果

交錯結(jié)構(gòu)支撐體免充氣輪胎兩個接地位置處的疲勞壽命分別為6 309.6萬（107.8）和3 981.1萬（107.6）次。可見，在交錯支撐體結(jié)構(gòu)輪胎的滾動過程中，經(jīng)過大約3 981.1萬次滾動后，位置2接地時最先出現(xiàn)疲勞裂紋。從圖5中疲勞破壞位置可見，交錯結(jié)構(gòu)支撐體輪胎在靠近輪輞的主減震孔頂端的圓弧處為薄弱位置，該處最易出現(xiàn)裂紋。

該免充氣輪胎的外直徑為1 085 mm，位置2處的下沉量為34.04 mm，因此其工作半徑為508.46 mm，將滾動次數(shù)換算為行駛里程，約為12.7萬km。根據(jù)趙亞元等[10-11]對11.00R20充氣載重子午線輪胎胎面磨耗性能的分析，可知同規(guī)格充氣輪胎行駛里程約為11.2萬km，實際道路測試結(jié)果為10萬～14萬km。由此表明，當(dāng)交錯結(jié)構(gòu)支撐體輪胎的胎面磨耗達(dá)到使用上限時，其支撐體也開始出現(xiàn)疲勞破壞，兩者基本同時出現(xiàn)疲勞破壞，從而使胎面和支撐體均得到充分利用，可避免材料浪費。

4 結(jié)論

本研究參考11.00R20規(guī)格充氣子午線輪胎，提出一種交錯結(jié)構(gòu)的免充氣安全輪胎，借助有限元軟件分析其力學(xué)性能，并預(yù)測其疲勞壽命，得到如下結(jié)論。

（1）交錯結(jié)構(gòu)免充氣輪胎基本達(dá)到同規(guī)格充氣子午線輪胎的使用性能要求；

（2）交錯結(jié)構(gòu)支撐體由于減震孔中過渡圓弧的存在，使該處最易出現(xiàn)屈撓疲勞現(xiàn)象，輪胎疲勞破壞行駛里程為12.7萬km。