程新龍,翁晨皓,洪圣康

(1.安陽職業(yè)技術學院 汽車學院,河南 安陽 455000;2.蘇州國方汽車電子有限公司,江蘇 蘇州 215100;3.江蘇大學 汽車與交通工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

輪胎是車輛和路面唯一接觸的零部件,對車輛的駕乘舒適性、行駛安全性具有重要影響[1-3]。由于傳統(tǒng)充氣式輪胎存有漏氣、不抗刺扎、爆胎等安全隱患,輪胎行業(yè)內近年不斷推出了安全輪胎產(chǎn)品。其中,免充氣輪胎產(chǎn)品,如米其林的Tweel輪胎、韓泰的I-Flex輪胎等,通過引入免充氣支撐結構設計,使得輪胎兼有免充氣、防爆、散熱好、耐磨等優(yōu)點[4],從而大大提升了輪胎的安全性和經(jīng)濟性,備受用戶矚目。

免充氣輪胎的支撐結構多采用聚氨酯材料,其一方面具有塑性材質的高強度、抗撕裂、耐高溫等特性;另一方面又具有橡膠材質的高彈性特征,是生產(chǎn)免充氣輪胎的理想材料[5]。同時,免充氣輪胎的支撐結構兼具有承載來自地面的側向、縱向動態(tài)載荷的能力,保證輪胎滾動時的良好減振性。相關研究表明,免充氣輪胎支撐結構的設計參數(shù)對輪胎的性能發(fā)揮具有一定的影響機制[6]。

因此,本文耦合了Abaqus和Isight兩款計算機仿真軟件,選以Tweel輪胎為例,通過有限元仿真分析來研究不同聚氨酯支撐結構設計參數(shù)對免充氣輪胎的接地力學特性影響規(guī)律;同時,對其支撐結構的主要設計參數(shù)展開多目標優(yōu)化設計,以實現(xiàn)協(xié)同提升Tweel輪胎抓地和減振性能的目的。

1 Tweel輪胎有限元模型的建立與驗證

1.1 Tweel輪胎的三維結構

圖1(a)所示為Tweel輪胎實物,其主要組分為輪輞、輻條式聚氨酯支撐體和胎面3個部分,其主要結構參數(shù)如表1所示。圖1(b)為依據(jù)Tweel輪胎實物結構參數(shù)[7]建立的輪胎三維模型。

(b)聚氨酯支撐結構圖1 Tweel輪胎示意圖

表1 Tweel輪胎結構參數(shù)

模型中,Tweel輪胎的輻條式聚氨酯支撐體是由30對輻條組成,連接著輪轂和胎面環(huán)結構;同時,胎面環(huán)結構通過兩道加強層將其分成輻條相連的內覆蓋層、剪切層、胎面相連的外覆蓋層三個層次,其中,剪切層起著承載剪切力作用,加強層起著保證徑向剛度和強度的作用。

1.2 Tweel輪胎的材料模型

胎面環(huán)結構采用超彈性橡膠材料,為更準確表達材料的非線性力學特性,本文使用了拉伸實驗機依據(jù)GB/T 2941—2006對Tweel輪胎橡膠材質展開了拉伸實驗。實驗時,三角膠膠料測試應變區(qū)間為10%～80%,其余膠料應變測試區(qū)間為10%～140%。為提高測試結果的準確性,將每種膠料重復測試3次并取其平均值。隨后,把實驗數(shù)據(jù)導入Abaqus中進行了多種本構模型擬合匹配,結果如圖2所示。

名義應變圖2 橡膠本構模型擬合線

結果表明,通過使用Yeoh模型來擬合其材料的精度最高,所以本文使用Yeoh模型來描述Tweel輪胎胎面環(huán)結構的橡膠材料力學特性,其應變能密度如公式(1)所示。同時,支撐結構采用聚氨酯材料,選用線彈性模型來描述,定義其彈性模量為130 MPa,泊松比為0.4[8]。

W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2+C30(I1-3)3

(1)

式中:W為應變能密度;I1為主伸長比的第一不變量;C10、C20、C30為材料常數(shù)。

1.3 Tweel輪胎的載荷和邊界條件

有限元仿真分析過程中,通過使用庫倫摩擦定義了胎面與路面剛體間的接觸,數(shù)值設定為0.5,定義接觸面上承載徑向指向輪輞中心、大小為4 000 N來等效代替輪胎滾動時的受力情況。此外,胎面環(huán)結構和支撐結構定義綁定約束,約束輪轂全部自由度。

1.4 Tweel輪胎有限元模型驗證

完成上述有限元仿真前處理后即可得到圖3所示的Tweel輪胎-路面有限元仿真模型。

圖3 Tweel輪胎有限元模型

為了驗證有限元仿真模型的可靠性,本文提取了Tweel輪胎徑向加載4 000 N時域下的胎面徑向位移值隨作用力變化曲線,并與Tweel輪胎加載4 000 N的實驗值作對比,結果如圖4所示。由圖4可知,有限元模型的作用力-位移變化曲線的仿真值與實驗值基本相似,且彼此間所有的誤差不超過1%。因此,通過對比驗證了本文所建Tweel輪胎有限元模型具有可靠性,能代替實體輪胎用于后續(xù)有限元仿真分析研究。

位移/mm圖4 Tweel輪胎力-位移實驗值與仿真值對比

2 Tweel輪胎聚氨酯支撐結構DOE分析

2.1 Tweel輪胎有限元分析

利用Tweel輪胎-路面有限元模型進行仿真分析后,提取了輪胎的應變和位移信息,如圖5所示。

(a) 輪胎接地壓力分布

(b) 輪胎變形位移分布圖5 Tweel輪胎接地信息

通過對圖中數(shù)據(jù)的提取獲得了胎面接地壓力峰值和接地面積值,并根據(jù)公式(2)計算得出胎面的接地壓力偏度值[9],如表2所示。同時,本文還提取了輪胎60 Km/h滾動速度下的胎面-路面間徑向激勵力,如圖6所示。

(2)

式中:np為測量點數(shù);pi為各測量點的接地壓力值;ˉp為平均接地壓力值。

表2 Tweel輪胎接地參數(shù)指標

時間/s圖6 Tweel輪胎接地頻域下的徑向激勵力

為便于后續(xù)研究Tweel輪胎聚氨酯支撐結構設計參數(shù)對輪胎抓地和減振性能的影響,本文以Tweel輪胎的接地壓力偏度值和接地面積值來評價抓地性能,以Tweel輪胎的時域徑向激勵力來評價減振性能。研究表明[10-13],輪胎的接地壓力偏度值越小,接地面積值越大,輪胎的抓地性能越好;輪胎的時域徑向激勵力幅值和波動越小,輪胎受路面的沖擊作用越弱,輪胎減振性能越好。

2.2 Tweel輪胎聚氨酯支撐結構參數(shù)設計與分析

為研究Tweel輪胎聚氨酯支撐結構的寬度、厚度和圓弧曲率對輪胎抓地和減振性能的影響,同時為后續(xù)對其結構參數(shù)多目標優(yōu)化設計做準備。本文耦合了Abaqus和Isight軟件[14],通過調用Isight軟件的實驗設計(DOE)模塊來完成對Tweel輪胎聚氨酯支撐結構的自動化修改,并重新導入Abaqus軟件完成有限元仿真分析輸出或計算獲得Tweel輪胎的接地面積值、接地壓力偏度值和時域下的徑向激勵力。其中,流程如圖7所示。

圖7 軟件耦合流程圖

根據(jù)Tweel輪胎聚氨酯支撐結構的實際結構,如圖8所示,本文篩選了其主要的結構寬度A、厚度B和圓弧曲率C共計3個結構設計參數(shù)為DOE分析中的設計變量,同時選取Tweel輪胎的接地面積值和徑向激勵力峰值作為目標函數(shù),展開結構參數(shù)對其性能的影響規(guī)律分析。本文利用Isight軟件DOE模塊,基于優(yōu)化的超拉丁方實驗設計理論針對3個設計參數(shù)創(chuàng)建了16個樣本方案組成的實驗矩陣,相關數(shù)值如表3所示。其中,Tweel輪胎聚氨酯支撐結構的寬度(A)、厚度(B)、圓弧曲率(C)原始值依次是16.50 cm、2.50 cm、7.48 cm。

圖8 聚氨酯支撐結構

通過計算上述16個方案能很好地探究了Tweel輪胎聚氨酯支撐結構參數(shù)(輸入?yún)?shù))對輪胎性能的(輸出參數(shù))貢獻度,結果如圖9和圖10所示(Pareto貢獻度圖中,藍色表示正貢獻度,紅色表示負貢獻度)[15]。圖中數(shù)據(jù)說明,對于輪胎抓地性能,聚氨酯支撐結構的寬度A和厚度B為負貢獻度,圓弧曲率C為正貢獻度,且貢獻度值分別為21%、37%和42%,即若要提升輪胎的抓地性能,應適度減小聚氨酯支撐結構的A和B,增加C;對于輪胎的減振性能,聚氨酯支撐結構的A為負貢獻度,B和C為正貢獻度,且貢獻度值分別為11%、32%和57%,即若要提升輪胎的減振性能,應適度減小聚氨酯支撐結構的A,增加B和C。

表3 DOE模塊實驗設計矩陣

貢獻度值/%圖9 支撐結構參數(shù)對抓地性能的貢獻度

貢獻度值/%圖10 支撐結構參數(shù)對減振性能的貢獻度

3 Tweel輪胎聚氨酯支撐結構多目標優(yōu)化

本文根據(jù)DOE分析結果,以協(xié)同Tweel輪胎提升的抓地和減振性能為目標,繼續(xù)在Isight軟件中對聚氨酯支撐結構的A、B和C共計3個結構參數(shù)進行多目標優(yōu)化。其中優(yōu)化方法選用自適應模擬退火算法(ASA),設定最大設計方案次數(shù)為10 000,展開尋優(yōu)。通過軟件尋優(yōu)設計后確定了本文的最佳方案,Tweel輪胎聚氨酯支撐結構參數(shù)優(yōu)化前后對比如表4所示,相關接地參數(shù)指標優(yōu)化前后對比如表5所示。Tweel輪胎接地頻域下徑向激勵力優(yōu)化前后對比如圖11所示。

表4 支撐結構參數(shù)優(yōu)化前后對比

表5 Tweel輪胎接地參數(shù)指標優(yōu)化前后對比

時間/s圖11 Tweel輪胎接地頻域下的徑向激勵力優(yōu)化前后對比

通過對比優(yōu)化前后Tweel輪胎接地參數(shù)指標和徑向激勵力發(fā)現(xiàn),通過對Tweel輪胎聚氨酯支撐結構的主要結構參數(shù)進行多目標優(yōu)化設計,有效提升了輪胎的接地面積,降低了輪胎的接地壓力偏度值,降低了輪胎滾動時的徑向激勵力,達到了協(xié)同提升Tweel輪胎的抓地和減振性能的效果。

4 結 論

(1)免充氣輪胎的支撐結構對輪胎的性能具有一定的影響,對于Tweel輪胎來說,其支撐結構的A、B、C分別對其抓地性能為負貢獻度21%、負貢獻度37%、正貢獻度42%;對其減振性能為負貢獻度11%、正貢獻度32%、正貢獻度57%。

(2)通過耦合Abaqus和Isight軟件完成對Tweel輪胎聚氨酯支撐結構多目標優(yōu)化,實現(xiàn)了協(xié)同提升輪胎抓地和減振性能的目的。