基于Abaqus軟件的12.00R24全鋼工程機械輪胎接地印痕的優化

張文杰，王銳佳，雍占福，李 淼， 王傳鑄*

[1.泰凱英（青島）專用輪胎技術研究開發有限公司，山東 青島 266100；2.青島科技大學 橡塑材料與工程教育部重點實驗室，山東 青島 266042]

近年來，隨著采礦業的快速發展，對全鋼工程機械輪胎的需求日益增加，尤其是對井下礦用工程機械輪胎的需求增長迅速[1]。由于井下礦用輪胎的使用環境非常嚴苛，輪胎的損壞往往影響車輛的使用效率，因此客戶對井下礦用輪胎的性能提出了更高的要求。

根據市場反饋，針對井下礦用輪胎胎冠中早期磨損較快的問題，本工作以井下礦用12.00R24全鋼工程機械輪胎為研究對象，基于Abaqus軟件優化輪胎的接地印痕和接地壓力分布，以期為改善輪胎性能提供參考。

1 研究方法

采用輪胎接地印痕的形狀系數（Cs，又稱矩形率）表征輪胎的接地印痕，計算公式為[2]

式中，L1和L2為輪輞位置對應的印痕長軸長度，Lx為接地印痕長軸長度，如圖1所示。當Cs＜1時，Cs值越小，接地印痕形狀越接近橢圓形；當Cs＞1時，Cs值越大，接地印痕形狀越接近蝴蝶形；當Cs趨近于1時，接地印痕形狀接近矩形。

圖1 接地印痕量化示意

2 有限元模型的建立

有限元技術可以快速為設計者提供必要的數據支撐，是產品質量提升的重要工具。輪胎使用中同時存在著材料、幾何、接觸三大非線性，理論求解幾乎不可能，因此在輪胎結構設計中有限元方法顯得更加重要，而且應用越來越廣泛[3-11]。在輪胎的設計過程中使用有限元技術將大幅提高輪胎研發的效率，有效降低研發成本。輪胎的有限元分析主要包括材料模型建立和有限元模型建立。

2.1 橡膠材料模型及骨架結構設計

全鋼工程機械輪胎主要由橡膠和金屬骨架構成。在輪胎有限元分析中橡膠材料一般使用Yeoh本構模型表征其高彈性[12]。本工作將輪胎各部位膠料循環拉伸8次，消除Mullins效應后，取最后一次穩定的應力-應變曲線，通過最小二乘法擬合得到Yeoh本構模型的材料參數。金屬骨架材料是線彈性材料，使用彈性模量和泊松比表征其應力-應變行為。原始方案帶束層鋼絲簾線相關參數如表1所示。

表1 原始方案帶束層鋼絲簾線相關參數

2.2 有限元模型的建立

對12.00R24全鋼工程機械輪胎的材料分布圖進行合理簡化，去除對結果影響小的防擦線和裝飾線，然后劃分網格，如圖2所示。根據材料分布圖，將各部位分別賦予相應的材料屬性。橡膠材料的單元類型分別采用CGAX3H和CGAX4H，骨架材料的單元類型采用SFMGAX1。利用Abaqus軟件進行二維充氣和三維靜態加載等分析。

圖2 輪胎材料分布圖及有限元模型

3 結果分析

3.1 原始方案試驗結果及有限元仿真計算結果

室內測試的樣品輪胎接地印痕如圖3所示，其Cs為70%。根據原始方案材料分布圖進行有限元計算，其接地印痕仿真結果如圖4所示。

圖3 樣品輪胎接地印痕測試結果

圖4 原始方案輪胎接地印痕仿真結果

對比圖3和4可知，接地印痕仿真結果與試驗結果基本一致，說明有限元仿真結果真實可靠。有限元仿真得到的輪胎接地印痕的Cs為75%，整體呈現橢圓形。

通過對市場反饋問題進行分析，發現輪胎的偏磨和胎冠中央磨損較快的問題主要與輪胎的接地印痕形狀及Cs相關。由于該規格輪胎負荷較小，行駛過程中扭轉較多，胎面與地面會有滑動，這種滑動摩擦正是導致輪胎偏磨和胎冠中央磨損較快的原因。由圖3可知，樣品輪胎的接地印痕近似于橢圓形，胎肩部位的接地印痕長度較小，胎冠中央長軸長度較長，使得胎冠中央受力集中，肩部受力較弱，導致輪胎出現偏磨和胎冠中央磨損較快情況。

3.2 優化方案

3.2.1 骨架材料設計調整

由于輪胎的外輪廓已定，修改輪胎外輪廓會增加制模成本，因此優化方案主要從帶束層角度、寬度、方向及優化肩部材料分布等幾個方面入手。為了解決輪胎偏磨和胎冠中央磨損較快的問題，采用適當增大輪胎的接地面積和Cs的方法。優化方案帶束層鋼絲簾線相關參數如表2所示。

表2 優化方案帶束層鋼絲簾線相關參數

3.2.2 輪胎肩部材料分布

輪胎肩部材料分布主要調整措施包括：帶束層寬度優化、胎面厚度減小、胎肩墊膠厚度優化和內輪廓調整。

圖5示出了原始方案輪胎和優化方案輪胎的材料分布。

圖5 原始方案和優化方案輪胎材料分布示意

3.3 優化方案輪胎分析

3.3.1 接地印痕

根據優化方案輪胎材料分布圖和骨架材料進行有限元分析。優化方案輪胎接地印痕的有限元仿真結果見圖6，其Cs為83.4%，相較于原始方案輪胎接地印痕Cs增大了8.4%。由此可見，優化方案輪胎的接地形狀更合理，使輪胎接地壓力分布更均勻，有效改善了輪胎胎冠中央的早期磨損問題。

圖6 優化方案輪胎接地印痕仿真結果

影響輪胎接地印痕形狀的主要因素為輪胎的橫向剛性和縱向剛性，而本研究產品的主要影響因素為橫向剛性。通過增大1#帶束層的角度，優化帶束層的寬度及貼合方向，調整輪胎的冠部及肩部材料分布，改變輪胎的橫向剛度，增大Cs，改善接地印痕形狀。

3.3.2 接地壓力

沿接地印痕短軸和長軸方向的輪胎接地壓力分布分別如圖7和8所示。

圖7 沿接地印痕短軸方向的接地壓力分布

由圖7可知，優化方案輪胎沿接地印痕短軸方向肩部接地壓力明顯大于原始方案輪胎，胎冠中央接地壓力小于原始方案輪胎，這使得優化方案輪胎在行駛過程中橫向收縮減小，從而減小了胎冠中央磨損和偏磨的發生幾率。

由圖8可知，優化方案輪胎沿接地印痕長軸方向的接地壓力分布與原始方案輪胎基本相同，整體接地壓力略小于原始方案輪胎。優化方案輪胎沿接地印痕短軸和長軸方向的接地壓力優于原始方案輪胎，可有效解決輪胎胎冠中央磨損及輪胎偏磨問題。

圖8 沿接地印痕長軸方向的接地壓力分布

4 結論

全鋼工程機械輪胎的帶束層寬度、角度和方向的設計對其接地印痕形狀具有顯著影響。在輪胎設計及優化階段通過有限元仿真技術對不同方案輪胎的接地印痕進行評估，可以更好地指導設計。本工作利用Abaqus軟件，對12.00R24全鋼工程機械輪胎的材料分布和帶束層參數進行優化，解決了胎冠中央磨損及輪胎偏磨問題。有限元分析方法可縮短研發周期，節約研發成本。