馮琳閣，朱作勇，馮希金，周 進(jìn)，王亦菲，朱新靜

（賽輪金宇集團(tuán)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(dòng)性和通過(guò)性。由于橡膠輪胎復(fù)雜的材料非線性、結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(duì)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(jié)果與實(shí)際情況會(huì)有一定的差別，并且花紋的相關(guān)性能得不到體現(xiàn)，只有計(jì)及復(fù)雜胎面花紋的輪胎結(jié)構(gòu)有限元分析才能給出更為準(zhǔn)確可靠的結(jié)果。

本工作基于Abaqus有限元分析軟件，采用組合模型技術(shù)，對(duì)帶有復(fù)雜胎面花紋的205/55R16半鋼子午線輪胎模型進(jìn)行有限元分析[2]，并與實(shí)際輪胎的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，同時(shí)與光面輪胎模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比，以考察復(fù)雜花紋對(duì)輪胎結(jié)構(gòu)受力變形的影響，為胎面花紋優(yōu)化和輪胎性能評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

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(guò)CATIA軟件進(jìn)行三維花紋塊建模，如圖1所示。

圖1 花紋塊的實(shí)體模型

將花紋塊模型導(dǎo)入到Abaqus CAE軟件中對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 花紋塊的網(wǎng)格模型

花紋塊網(wǎng)格模型共有2 011個(gè)單元、3 907個(gè)節(jié)點(diǎn)。最后將胎面花紋導(dǎo)入到Abaqus軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料屬性定義。

1.2 包含復(fù)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(duì)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(duì)稱充氣模型。對(duì)于胎面花紋部分，構(gòu)建一個(gè)節(jié)距的花紋三維模型，并劃分網(wǎng)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(guò)*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(zhuǎn)一個(gè)花紋節(jié)距的角度，本研究中周向角度為5.454 545°，最后形成一個(gè)節(jié)距的輪胎整體扇形模型，如圖3所示。

圖3 一個(gè)節(jié)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(gè)輪胎模型，如圖4所示。

圖4 輪胎整體花紋模型

2 計(jì)算結(jié)果與模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的正確性，進(jìn)行兩方面的驗(yàn)證。

（1）在充氣壓力180 kPa下，輪胎的斷面寬和外直徑有限元計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

從表1可以看出，復(fù)雜花紋輪胎有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shuō)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(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

（2）在充氣壓力300 kPa，負(fù)荷率（標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷615 kg）分別為60%，80%，100%和120%下的接地?cái)?shù)據(jù)對(duì)比如表2所示，接地印痕如圖5—7所示。

圖5 不同負(fù)荷率下花紋輪胎試驗(yàn)接地印痕

圖6 不同負(fù)荷率下光面輪胎有限元分析接地印痕

圖7 不同負(fù)荷率下花紋輪胎有限元分析接地印痕

表2 接地?cái)?shù)據(jù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表2可以看出，光面輪胎、花紋輪胎有限元計(jì)算的接地長(zhǎng)短軸與試驗(yàn)長(zhǎng)短軸吻合度較好。光面輪胎的有限元計(jì)算接地面積與花紋輪胎試驗(yàn)接地面積偏差較大，花紋輪胎的有限元接地面積與試驗(yàn)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(nèi)部材料受力對(duì)比分析

3.1 帶束層橡膠受力

對(duì)復(fù)雜胎面花紋205/55R16輪胎模型進(jìn)行輪輞裝配、充氣、靜負(fù)荷工況的模擬，與光面輪胎在同等工況下的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析胎面花紋對(duì)輪胎內(nèi)部受力的影響，本研究對(duì)帶束層橡膠受力進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比，以考察復(fù)雜花紋對(duì)帶束層橡膠的影響。

靜負(fù)荷（615 kg）下接地?cái)嗝嫔蠌淖游缑嬷行牡蕉瞬康?#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(yīng)力S13對(duì)比

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

圖9 1#帶束層橡膠所受應(yīng)變能密度對(duì)比

靜負(fù)荷（615 kg）下接地?cái)嗝嫔蠌淖游缑嬷行牡蕉瞬康?#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(yīng)力S13對(duì)比

圖11 2#帶束層橡膠所受應(yīng)變能密度對(duì)比

由圖10和11可以看出，2#帶束層橡膠所受剪應(yīng)力S13、應(yīng)變能密度均在帶束層端部出現(xiàn)最大值?；y輪胎所受剪應(yīng)力S13、應(yīng)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(shì)。

3.2 靜負(fù)荷下接地壓力

為研究花紋對(duì)接地壓力的影響，對(duì)比光面輪胎與復(fù)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(jié)果如圖12所示。

由圖12可以看出花紋對(duì)接地壓力分布的影響，復(fù)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(fù)雜花紋對(duì)接地印痕形狀也有一定的影響，接地短軸相差不大，接地長(zhǎng)軸明顯增大。

圖12 光面輪胎與復(fù)雜花紋輪胎的接地印痕和接地壓力分布對(duì)比

4 結(jié)論

本研究分別建立了帶有復(fù)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(shí)際輪胎的外輪廓、接地印痕進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，光面輪胎模型在接地面積、印痕形狀上相差較大，復(fù)雜花紋輪胎模型與實(shí)際結(jié)果吻合較好。

考察花紋對(duì)輪胎結(jié)構(gòu)受力特征的影響，對(duì)花紋輪胎、光面輪胎帶束層橡膠受力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明胎面花紋對(duì)1#和2#帶束層橡膠受力情況均有明顯影響。

對(duì)于接地性能，復(fù)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(duì)輪胎進(jìn)行胎冠部位橡膠受力和接地性能分析時(shí)考慮帶胎面花紋的有限元模型是有必要的。