高伸長鋼絲簾線材料特性及其表征方式對輪胎有限元仿真計算結果的影響

付新華，郭念貴，姜曉鳳，韓志田，鄧彩霞

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

高伸長（HE）鋼絲簾線一般用于全鋼載重子午線輪胎最外層帶束層、0°帶束層和加強層等部件。而HE鋼絲簾線的應力-應變曲線與普通鋼絲簾線不同，因此對全鋼載重子午線輪胎進行仿真分析時選取的本構模型不同，得到的接地印痕和REFOR（表征骨架材料張力）等結果相差很大。

本工作以3×7×0.20HE鋼絲簾線為例，分別進行定負荷和定伸長循環(huán)加載測試，研究HE鋼絲簾線特性并跟蹤測量輪胎生產(chǎn)過程中鋼絲簾線產(chǎn)生的殘余變形，進而在有限元分析中更好地表征其材料特性，提高仿真分析的精度。

1 簾線測試

簾線拉伸試驗在我公司國家工程實驗室的GOTECH電子拉力機上進行，如圖1所示。

圖1 電子拉力機

1.1 不同結構鋼絲簾線對比

全鋼載重子午線輪胎帶束層常用鋼絲簾線的應力-應變曲線對比如圖2所示。3×7×0.20HE鋼絲簾線各股的捻向與合成股捻向相同且捻距較小等結構特性導致其拉伸曲線與一般的高強度（HT）鋼絲簾線的差異較大。

圖2 全鋼載重子午線輪胎帶束層常用鋼絲簾線的應力-應變曲線對比

從圖2可以看出：HE鋼絲簾線的應力-應變曲線可以分為“高伸長”和“高模量”兩個階段，0～2%變形區(qū)間為“高伸長”段，HT鋼絲簾線出現(xiàn)屈服甚至破斷；2%～5.7%變形區(qū)間為“高模量”段，應力隨變形幅度增大而急劇增大；高抗沖擊（HI）鋼絲簾線伸長率也很大，但應力-應變曲線與HE鋼絲簾線差異較大。

3種鋼絲簾線的具體物理性能如表1所示，其中模量（E）由計算鋼絲簾線應力-應變曲線的線性段斜率得到。

表1 不同結構鋼絲簾線物理性能對比

1.2 HE鋼絲簾線循環(huán)測試

根據(jù)HE鋼絲簾線的特性分別采用定負荷和定伸長兩種方式進行拉伸測試，對比分析不同伸長量卸載后的殘余變形。

1.2.1 定負荷循環(huán)測試

定負荷250和1 000 N時加卸載循環(huán)4次的測試結果如圖3所示。

從圖3可以看出：加載250 N時3次測試應變均約為2.5%，隨加載次數(shù)增加沒有產(chǎn)生殘余變形；而加載1 000 N時，第1次拉伸應變約為3.6%，第2次約為3.2%，出現(xiàn)殘余變形，第3次約為3.1%，第4次直至破斷時伸長約5.2%（小于5.7%，正常測試）。因此當加載1 000 N時每次加載會產(chǎn)生新的殘余變形，且新的殘余變形量逐漸減小。

圖3 定負荷循環(huán)測試的應力-應變曲線

1.2.2 定伸長循環(huán)測試

定伸長2%，3%和4%時加卸載循環(huán)3次的測試結果如圖4所示。

從圖4可以看出：4%定伸長時第2次較第1次約有0.7%的殘余變形；第3次相比第2次又產(chǎn)生約0.7%的殘余變形，并在約3.45%破斷（小于5.7%）。

圖4 定伸長循環(huán)測試的應力-應變曲線

分析上述兩種測試結果可知：3×7×0.20HE鋼絲簾線在伸長小于3%時，每次循環(huán)基本不出現(xiàn)殘余變形，在不小于3.5%（迫近屈服點）定伸長時每加載1次產(chǎn)生較明顯的殘余變形；HE鋼絲簾線拉伸至屈服點時會產(chǎn)生明顯的殘余變形，且每加載1次均產(chǎn)生新的殘余變形，但隨加載次數(shù)增加，殘余變形量逐漸減小。

2 HE鋼絲簾線用于0°帶束層時仿真計算

HE鋼絲簾線由于高伸長的特性，相對可以被充分拉伸，所以常用于全鋼載重子午線輪胎0°和最外層帶束層。以我公司生產(chǎn)的某規(guī)格輪胎為例，考慮生產(chǎn)過程中0°帶束層鋼絲簾線的實際伸長量，研究線彈性模型和考慮殘余變形的修正模型表征3×7×0.20HE鋼絲簾線材料特性對輪胎帶束層鋼絲簾線張力和接地印痕等參數(shù)的影響[1-2]。

2.1 伸長量跟蹤測試

根據(jù)半成品部件尺寸、成型后輪胎尺寸、成型附鼓周長和簾布層厚度等并結合3個測點距0°帶束層的高度計算，HE鋼絲簾線在該規(guī)格輪胎中的伸長率為0.92%～1.07%。測點位置及其距0°帶束層高度測量如圖5所示。

圖5中測點1為胎冠中心，測點2和3分別為左右外側(cè)花紋溝外側(cè)，實際測量結果如表2所示。

表2 不同測點參數(shù)統(tǒng)計

圖5 測點位置及其距0°帶束層高度測量示意

考慮殘余變形的3×7×0.20HE鋼絲簾線應力-應變曲線如圖6所示。

圖6 考慮殘余變形的3×7×0.20HE鋼絲簾線的應力-應變曲線

有限元分析的起點是硫化后的成品輪胎，根據(jù)計算得到的簾線伸長量，認為在制造過程中的殘余變形約為1%，即硫化完成后約有17 MPa的殘余應力。仿真分析時輸入的是去除1%變形的應力-應變曲線，其彈性模量約為56 600 MPa（為該曲線兩個綠色測點之間的斜率）。

2.2 兩種表征方式仿真結果對比

2.2.1 接地印痕

分別應用線彈性模型和修正模型表征0°帶束層鋼絲簾線，輪胎試驗及有限元分析得到的接地印痕如圖7所示。

由圖7可見，兩種表征方式得到的接地印痕差異明顯，應用修正模型表征得到的接地印痕與試驗結果更吻合。

圖7 輪胎仿真與試驗接地印痕對比

兩種表征方式部分接地印痕參數(shù)與試驗接地印痕的對比如表3所示。

表3 兩種表征方式輪胎有限元分析接地印痕參數(shù)與試驗結果對比

從表3可以看出，修正模型得到的結果與試驗結果接近，用線彈性模型表征得到的仿真結果與試驗值嚴重不符。線彈性模型表征時0°帶束層的強度比實際偏大，導致0°帶束層會緊緊束縛肩部區(qū)域，從而在充氣時肩部膨脹偏小，使接地時肩部肋條長度較小。

2.2.2 簾線張力

分析4層帶束層和0°帶束層在輪胎充氣和加載時鋼絲簾線張力的極值，結果如表4所示。

表4 兩種表征方式帶束層鋼絲簾線張力極值對比 N

通過分析可以發(fā)現(xiàn)：用線彈性模型表征的0°帶束層張力明顯比修正模型大，充氣時差別在3倍以上，加載時相差1.7倍；用線彈性模型表征的1#和2#帶束層的張力比修正模型小，相差20%～40%；用線彈性模型表征的3#帶束層張力比修正模型大；兩種表征方式得到的4#帶束層張力基本一致。

2.2.3 不同工況下0°帶束層變形

應用修正模型分析不同充氣壓力和加載工況下各簾布層的張力情況。首先比較不同工況下0°帶束層鋼絲簾線的變形量，結果如表5所示。

表5 不同測試工況下0°帶束層鋼絲簾線的變形量 %

通過分析可以發(fā)現(xiàn)：隨充氣壓力增大，0°帶束層鋼絲簾線的變形量明顯增大，而當充氣壓力固定時，隨負荷增大，變形量略微增大；在1.2 MPa/9 000 kg（超載100%）工況下，0°帶束層鋼絲簾線的總變形小于3%，可以認為0°帶束層鋼絲簾線隨加載次數(shù)的增加基本不會產(chǎn)生殘余變形；充氣壓力提高到1.8 MPa且超載100%時的總變形為3%，此時也沒有到簾線的屈服點。

不同工況下0°帶束層鋼絲簾線的變形量不同，簾線張力也會隨之變化，同時其他帶束層鋼絲簾線張力也相應發(fā)生改變，具體數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 部分工況下帶束層鋼絲簾線張力對比 N

通過分析可以發(fā)現(xiàn)：在僅充氣狀態(tài)下，隨充氣壓力增大，0°帶束層的鋼絲簾線張力增大幅度大于其他帶束層；充氣壓力為0.9 MPa時0°帶束層的鋼絲簾線張力與4#帶束層相當；充氣壓力提高至1.2 MPa時介于4#與2#帶束層之間；當充氣壓力繼續(xù)提高到1.5 MPa后與1#帶束層相當。

加載后除0°帶束層外，其他帶束層鋼絲簾線張力與充氣狀態(tài)下相當，而0°帶束層鋼絲簾線張力比僅充氣狀態(tài)增幅大，這是由于輪胎加載接地后0°帶束層鋼絲簾線產(chǎn)生新變形導致的。此時0°帶束層會牢牢束縛帶束層端部，減小帶束層之間的相互作用，同時提高了胎肩區(qū)域的剛性。

2.2.4 0°帶束層設計對輪胎肩部受力的影響

首先比較有無0°帶束層結構輪胎帶束層簾布的張力分布。標準負荷工況下2#帶束層的張力分布如圖8所示。

從圖8可以看出，與0°帶束層結構相比，無0°帶束層設計時帶束層中心區(qū)域張力減小而兩側(cè)（胎肩區(qū)域）增大，極值增幅約15%，工況改變，幅值也隨之改變。

圖8 標準負荷工況下2#帶束層的張力分布

標準負荷工況下帶束層端部的應變能密度和剪應變幅值對比如圖9所示。

從圖9可以看出，有0°帶束層設計方案帶束層端部的應變能密度和剪應變幅值的差值均減小15%～20%。這也印證了0°帶束層設計可減小帶束層邊部變形，同時降低變形生熱，進而提高肩部耐疲勞損壞和熱破壞的能力，尤其是在超載工況下更明顯，此外還可提高胎肩剛性，緩解輪胎肩部磨損問題。

圖9 標準負荷工況下帶束層端部的應變能密度和剪應變幅值對比

3 結論

通過測試分析了HE鋼絲簾線的特性，并以某規(guī)格全鋼載重子午線輪胎為例，跟蹤測試0°帶束層鋼絲簾線在生產(chǎn)過程中的殘余變形，比較線彈性模型和修正模型兩種表征方式對輪胎有限元仿真結果精度的影響等，主要得到如下結論。

（1）采用考慮殘余變形的修正模型表征HE鋼絲簾線更合適。

（2）與無0°帶束層設計方案相比，有0°帶束層設計方案帶束層端部的應變能密度和剪應變幅值的差值均減小15%～20%，證實0°帶束層具有減小帶束層邊部變形、降低生熱和提高胎肩剛性等作用。

需要注意的是，不同規(guī)格、不同花紋深度的輪胎在生產(chǎn)過程中的殘余變形量不同。此外，本研究所用修正模型主要用以表征HE鋼絲簾線的“高模量”和“高伸長”特性，而該模型本質(zhì)上是一種超彈性模型，用于表征鋼絲簾線也不是很適宜，可以選擇開發(fā)更合適的模型表征HE鋼絲簾線的特性。