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(qiáng)層等部件。而HE鋼絲簾線的應(yīng)力-應(yīng)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(jìn)行仿真分析時選取的本構(gòu)模型不同，得到的接地印痕和REFOR（表征骨架材料張力）等結(jié)果相差很大。

本工作以3×7×0.20HE鋼絲簾線為例，分別進(jìn)行定負(fù)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(jìn)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(jī)上進(jìn)行，如圖1所示。

圖1 電子拉力機(jī)

1.1 不同結(jié)構(gòu)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(yīng)力-應(yīng)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(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致其拉伸曲線與一般的高強(qiáng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線對比

從圖2可以看出：HE鋼絲簾線的應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)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(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性段斜率得到。

表1 不同結(jié)構(gòu)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(fù)荷和定伸長兩種方式進(jìn)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(fù)荷循環(huán)測試

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

從圖3可以看出：加載250 N時3次測試應(yīng)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(yīng)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(dāng)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(fù)荷循環(huán)測試的應(yīng)力-應(yīng)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(jié)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(yīng)力-應(yīng)變曲線

分析上述兩種測試結(jié)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(diǎn)）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(diǎn)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(jié)合3個測點(diǎn)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(diǎn)位置及其距0°帶束層高度測量如圖5所示。

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

表2 不同測點(diǎn)參數(shù)統(tǒng)計

圖5 測點(diǎn)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(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線

有限元分析的起點(diǎn)是硫化后的成品輪胎，根據(jù)計算得到的簾線伸長量，認(rèn)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(yīng)力。仿真分析時輸入的是去除1%變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其彈性模量約為56 600 MPa（為該曲線兩個綠色測點(diǎn)之間的斜率）。

2.2 兩種表征方式仿真結(jié)果對比

2.2.1 接地印痕

分別應(yīng)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(yīng)用修正模型表征得到的接地印痕與試驗結(jié)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(jié)果對比

從表3可以看出，修正模型得到的結(jié)果與試驗結(jié)果接近，用線彈性模型表征得到的仿真結(jié)果與試驗值嚴(yán)重不符。線彈性模型表征時0°帶束層的強(qiáng)度比實際偏大，導(dǎo)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(jié)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(yīng)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(jié)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(dāng)充氣壓力固定時，隨負(fù)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(rèn)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(diǎn)。

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(yīng)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(dāng)；充氣壓力提高至1.2 MPa時介于4#與2#帶束層之間；當(dāng)充氣壓力繼續(xù)提高到1.5 MPa后與1#帶束層相當(dāng)。

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(dāng)，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(dǎo)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(shè)計對輪胎肩部受力的影響

首先比較有無0°帶束層結(jié)構(gòu)輪胎帶束層簾布的張力分布。標(biāo)準(zhǔn)負(fù)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(jié)構(gòu)相比，無0°帶束層設(shè)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(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷工況下2#帶束層的張力分布

標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷工況下帶束層端部的應(yīng)變能密度和剪應(yīng)變幅值對比如圖9所示。

從圖9可以看出，有0°帶束層設(shè)計方案帶束層端部的應(yīng)變能密度和剪應(yīng)變幅值的差值均減小15%～20%。這也印證了0°帶束層設(shè)計可減小帶束層邊部變形，同時降低變形生熱，進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷工況下帶束層端部的應(yīng)變能密度和剪應(yīng)變幅值對比

3 結(jié)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(jié)果精度的影響等，主要得到如下結(jié)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(shè)計方案相比，有0°帶束層設(shè)計方案帶束層端部的應(yīng)變能密度和剪應(yīng)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。