免充气轮胎支撑结构仿真分析与优化.pdf

研究开发弹性体,():CH I NAE L A S TOME R I C S基金项目:河南省高等职业教育创新发展行动计划(XM )作者简介:程新龙(),男,河南正阳人,硕士,副教授,主要从事汽车检测与维修技术方面的研究工作.收稿日期:免充气轮胎支撑结构仿真分析与优化程新龙,翁晨皓,洪圣康,(安阳职业技术学院 汽车学院,河南 安阳 ;苏州国方汽车电子有限公司,江苏 苏州 ;江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 )摘要:免充气轮胎的聚氨酯支撑结构对轮胎诸多性能的发挥具有直接影响.以T w e e l轮胎为例,在A b a q u s中建立了轮胎的有限元模型,通过D O E设计分析了不同聚氨酯支撑结构参数对轮胎接地力学特性的影响规律;同时,为提升T w e e l轮胎的抓地和减振性能,利用多目标优化理论完成了对聚氨酯支撑结构的优化改型设计.结果表明,聚氨酯支撑结构的宽度、厚度和圆弧曲率分别对轮胎的接地压力分布和接地面积具有不同程度的影响;通过对T w e e l轮胎聚氨酯支撑结构的宽度、厚度和圆弧曲率进行优化设计后,有效增大了胎面接地面积的同时降低了其接地径向力,实现协同提升免充气轮胎抓地和减振性能的目标.相关研究成果对于我国免充气轮胎的研发和应用具有一定参考价值.关键词:轮胎;聚氨酯;结构优化中图分类号:TQ 文献标志码:A文章编号:()轮胎是车辆和路面唯一接触的零部件,对车辆的驾乘舒适性、行驶安全性具有重要影响 .由于传统充气式轮胎存有漏气、不抗刺扎、爆胎等安全隐患,轮胎行业内近年不断推出了安全轮胎产品.其中,免充气轮胎产品,如米其林的T w e e l轮胎、韩泰的I F l e x轮胎等,通过引入免充气支撑结构设计,使得轮胎兼有免充气、防爆、散热好、耐磨等优点,从而大大提升了轮胎的安全性和经济性,备受用户瞩目.免充气轮胎的支撑结构多采用聚氨酯材料,其一方面具有塑性材质的高强度、抗撕裂、耐高温等特性;另一方面又具有橡胶材质的高弹性特征,是生产免充气轮胎的理想材料.同时,免充气轮胎的支撑结构兼具有承载来自地面的侧向、纵向动态载荷的能力,保证轮胎滚动时的良好减振性.相关研究表明,免充气轮胎支撑结构的设计参数对轮胎的性能发挥具有一定的影响机制.因此,本文耦合了A b a q u s和I s i g h t两款计算机仿真软件,选以T w e e l轮胎为例,通过有限元仿真分析来研究不同聚氨酯支撑结构设计参数对免充气轮胎的接地力学特性影响规律;同时,对其支撑结构的主要设计参数展开多目标优化设计,以实现协同提升T w e e l轮胎抓地和减振性能的目的.T w e e l轮胎有限元模型的建立与验证T w e e l轮胎的三维结构图(a)所示为T w e e l轮胎实物,其主要组分为轮辋、辐条式聚氨酯支撑体和胎面个部分,其主要 结 构 参 数 如 表所 示.图(b)为 依 据T w e e l轮 胎 实 物 结 构 参 数建 立 的 轮 胎 三 维模型.(a)T w e e l轮胎实物(b)聚氨酯支撑结构图T w e e l轮胎示意图表T w e e l轮胎结构参数结构参数值/mm轮胎外直径 胎面宽度 轮毂直径 胎面断面厚度 模型中,T w e e l轮胎的辐条式聚氨酯支撑体是由 对辐条组成,连接着轮毂和胎面环结构;同时,胎面环结构通过两道加强层将其分成辐条相连的内覆盖层、剪切层、胎面相连的外覆盖层三个层次,其中,剪切层起着承载剪切力作用,加强层起着保证径向刚度和强度的作用.T w e e l轮胎的材料模型胎面环结构采用超弹性橡胶材料,为更准确表达材料的非线性力学特性,本文使用了拉伸实验机依据G B/T 对T w e e l轮胎橡胶材质展开了拉伸实验.实验时,三角胶胶料测试应变区间为 ,其余胶料应变测试区间为 .为提高测试结果的准确性,将每种胶料重复测试次并取其平均值.随后,把实验数据导入A b a q u s中进行了多种本构模型拟合匹配,结果如图所示.名义应变图橡胶本构模型拟合线结果表明,通过使用Y e o h模型来拟合其材料的精度最高,所以本文使用Y e o h模型来描述T w e e l轮胎胎面环结构的橡胶材料力学特性,其应变能密度如公式()所示.同时,支撑结构采用聚氨酯材料,选用线弹性模型来描述,定义其弹性模量为 MP a,泊松比为.WC(I)C(I)C(I)()式中:W为应变能密度;I为主伸长比的第一不变量;C、C、C 为材料常数.T w e e l轮胎的载荷和边界条件有限元仿真分析过程中,通过使用库伦摩擦定义了胎面与路面刚体间的接触,数值设定为,定义接触面上承载径向指向轮辋中心、大小为 N来等效代替轮胎滚动时的受力情况.此外,胎面环结构和支撑结构定义绑定约束,约束轮毂全部自由度.T w e e l轮胎有限元模型验证完成上述有限元仿真前处理后即可得到图所示的T w e e l轮胎路面有限元仿真模型.图T w e e l轮胎有限元模型为了验证有限元仿真模型的可靠性,本文提取了T w e e l轮胎径向加载 N时域下的胎面径向位移值随作用力变化曲线,并与T w e e l轮胎加载 N的实验值作对比,结果如图所示.由图可知,有限元模型的作用力位移变化曲线的仿真值与实验值基本相似,且彼此间所有的误差不超过.因此,通过对比验证了本文所建T w e e l轮胎有限元模型具有可靠性,能代替实体轮胎用于后续有限元仿真分析研究.第期程新龙,等免充气轮胎支撑结构仿真分析与优化位移/mm图T w e e l轮胎力位移实验值与仿真值对比T w e e l轮胎聚氨酯支撑结构D O E分析T w e e l轮胎有限元分析利用T w e e l轮胎路面有限元模型进行仿真分析后,提取了轮胎的应变和位移信息,如图所示.(a)轮胎接地压力分布(b)轮胎变形位移分布图T w e e l轮胎接地信息通过对图中数据的提取获得了胎面接地压力峰值和接地面积值,并根据公式()计算得出胎面的接地压力偏度值,如表所示.同时,本文还提取了轮胎 Km/h滚动速度下的胎面路面间径向激励力,如图所示.npnpi(pip)()式中:np为测量点数;pi为各测量点的接地压力值;p为平均接地压力值.表T w e e l轮胎接地参数指标参数指标数值接地压力峰值/MP a 接地压力偏度值/MP a 接地面积/mm 时间/s图T w e e l轮胎接地频域下的径向激励力为便于后续研究T w e e l轮胎聚氨酯支撑结构设计参数对轮胎抓地和减振性能的影响,本文以T w e e l轮胎的接地压力偏度值和接地面积值来评价抓地性能,以T w e e l轮胎的时域径向激励力来评价减振性能.研究表明 ,轮胎的接地压力偏度值越小,接地面积值越大,轮胎的抓地性能越好;轮胎的时域径向激励力幅值和波动越小,轮胎受路面的冲击作用越弱,轮胎减振性能越好.T w e e l轮胎 聚氨酯支撑 结构参数设 计 与分析为研究T w e e l轮胎聚氨酯支撑结构的宽度、厚度和圆弧曲率对轮胎抓地和减振性能的影响,同时为后续对其结构参数多目标优化设计做准备.本文耦合了A b a q u s和I s i g h t软件,通过调用I s i g h t软件的实验设计(D O E)模块来完成对T w e e l轮胎聚氨酯支撑结构的自动化修改,并重新导入A b a q u s软件完成有限元仿真分析输出或计算获得T w e e l轮胎的接地面积值、接地压力偏度值和时域下的径向激励力.其中,流程如图所示.弹性体第 卷图软件耦合流程图根据T w e e l轮胎聚氨酯支撑结构的实际结构,如图所示,本文筛选了其主要的结构宽度A、厚度B和圆弧曲率C共计个结构设计参数为D O E分析中的设计变量,同时选取T w e e l轮胎的接地面积值和径向激励力峰值作为目标函数,展开结构参数对其性能的影响规律分析.本文利用I s i g h t软件D O E模块,基于优化的超拉丁方实验设计理论针对个设计参数创建了 个样本方案组成的实验矩阵,相关数值如表所示.其中,T w e e l轮胎聚氨酯支撑结构的宽度(A)、厚度(B)、圆 弧 曲 率(C)原 始 值 依 次 是 c m、c m、c m.图聚氨酯支撑结构通过计算上述 个方案能很好地探究了T w e e l轮胎聚氨酯支撑结构参数(输入参数)对轮胎性能的(输出参数)贡献度,结果如图和图 所示(P a r e t o贡献度图中,蓝色表示正贡献度,红色表示负贡献度).图中数据说明,对于轮胎抓地性能,聚氨酯支撑结构的宽度A和厚度B为负贡献度,圆弧曲率C为正贡献度,且贡献度值分别为、和,即若要提升轮胎的抓地性能,应适度减小聚氨酯支撑结构的A和B,增加C;对于轮胎的减振性能,聚氨酯支撑结构的A为负贡献度,B和C为正贡献度,且贡献度值分别为 、和 ,即若要提升轮胎的减振性能,应适度减小聚氨酯支撑结构的A,增加B和C.表D O E模块实验设计矩阵编号A/c mB/c mC/c m 贡献度值/图支撑结构参数对抓地性能的贡献度贡献度值/图 支撑结构参数对减振性能的贡献度第期程新龙,等免充气轮胎支撑结构仿真分析与优化T w e e l轮胎聚氨酯支撑结构多目标优化本文根据D O E分析结果,以协同T w e e l轮胎提升的抓地和减振性能为目标,继续在I s i g h t软件中对聚氨酯支撑结构的A、B和C共计个结构参数进行多目标优化.其中优化方法选用自适应模拟退火算法(A S A),设定最大设计方案次数为 ,展开寻优.通过软件寻优设计后确定了本文的最佳方案,T w e e l轮胎聚氨酯支撑结构参数优化前后对比如表所示,相关接地参数指标优化前后对比如表所示.T w e e l轮胎接地频域下径向激励力优化前后对比如图 所示.表支撑结构参数优化前后对比参数名称A/c mB/c mC/c m优化前值 优化后值 变化幅度/表T w e e l轮胎接地参数指标优化前后对比指标接地面积/mm接地压力偏度值/MP a优化前值 优化后值 变化幅度/时间/s图 T w e e l轮胎接地频域下的径向激励力优化前后对比通过对比优化前后T w e e l轮胎接地参数指标和径向激励力发现,通过对T w e e l轮胎聚氨酯支撑结构的主要结构参数进行多目标优化设计,有效提升了轮胎的接地面积,降低了轮胎的接地压力偏度值,降低了轮胎滚动时的径向激励力,达到了协同提升T w e e l轮胎的抓地和减振性能的效果.结论()免充气轮胎的支撑结构对轮胎的性能具有一定的影响,对于T w e e l轮胎来说,其支撑结构的A、B、C分别对其抓地性能为负贡献度 、负贡献度 、正贡献度 ;对其减振性能为负贡献度 、正贡献度 、正贡献度 .()通过耦合A b a q u s和I s i g h t软件 完成对T w e e l轮胎聚氨酯支撑结构多目标优化,实现了协同提升轮胎抓地和减振性能的目的.参考文献:王竹清,王伟基于拓扑优化与仿生理念的免充气轮胎J弹性体,():吴国文,朱继光聚氨酯弹性体耐热性能影响因素综述J合成橡胶工业,():刘晨,李凡珠,卢咏来,等非充气轮胎的结构设计与力学性能J橡胶工业,():AK S HAYNA C o m p u t a t i o n a l m e t h o d f o r a n a l y s i s o fm a t e r i a lp r o p e r t i e so f an o n p n e u m a t i c t i r ea n d t h e i r e f f e c t so ns t a t i cl o a dd e f l e c t i o n,v i b r a t i o na n de n e r g yl o s sf r o mi m p a c t r o l l i n go v e r o b s t a c l e sDU S A:C l e m s o nU n i v e r s i t y,向仲兵,安子军鸟巢结构式免充气轮胎固有特性分析J机械科学与技术,():周海超,李慧云,夏琦,等辐条式免充气轮胎的减振分析J橡胶工业,():黄兆阁,李伟,孟祥坤,等免充气轮胎优化设计有限元分析J橡胶工业,():张陈曦,赵又群,冯世林,等伪刚体柔体耦合的新式免充气轮胎刚 度 分 析 J中 国 机 械 工 程,():,郭斌杰,安瑛,谭晶免充气塑料轮胎支撑结构对性能的影响J塑料科技,():王文峰免充气轮胎有限元仿真与优化设计D青岛:青岛科技大学,R A D U L E S C U RC S a c r i f i c i a lr i b sf o ri m p r o v e dt i r ew e a rPC A ,姜成,赵又群,阮米庆,等非充气安全轮胎技术现状与发展J机械设计与制造,():李波,赵又群,臧利国,等基于复合滑移理论的轮胎抓地状态建模与验证J农业工程学报,():张天华,王伟免充气轮胎结构的有限元分析J弹性体,():刘超,吴晓辉,卢咏来,等非充气轮胎中剪切带结构与材料的研究进展J橡胶工业,():弹性体第 卷S i m u l a t i o na n a l y s i s a n do p t i m i z a t i o no f s u p p o r t s t r u c t u r e o f n o np n e u m a t i c t i r eCHE NGX i n l o n g,WE NGC h e n h a o,HONGS h e n g k a n g,(A n y a n g V o c a t i o n a la n d T e c h n i c a l C o l l e g e,A n y a n g ,C h i n a;S u z h o u G u o f a n gA u t o m o t i v eE l e c t r o n i c s C o,L t d,S u z h o u ,C h i n a;S c h o o lo f A u t o m o t i v ea n d T r a f f i cE n g i n e e r i n g,J i a n g s uU n i v e r s i t y,Z h e n j i a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep o l y u r e t h a n es u p p o r ts t r u c t u r eo fn o np n e u m a t i ct i r eh a sad i r e c ti m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo f t i r e T a k i n gt h eT w e e lt i r ea sa ne x a m p l e,t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t i r e i se s t a b l i s h e di nA b a q u s,a n dt h e i n f l u e n c em e c h a n i s mb e t w e e nd i f f e r e n tp o l y u r e t h a n es u p p o r ts t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dt i r eg r o u n d i n gm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s i sa n a l y z e dt h r o u g hD O Ed e s i g n A t t h es a m e t i m e,i no r d e r t o i m p r o v et h eg r i pa n dd a m p i n gp e r f o r m a n c eo f t h eT w e e lt i r e,t h eo p t i m i z a t i o na n dm o d i f i c a t i o nd e s i g no f p o l y u r e t h a n es u p p o r ts t r u c t u r ei sc o m p l e t e db yu s i n g m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nt h e o r y T h er e s u l t ss h o wt h a tt h en u m b e r,w i d t h,t h i c k n e s sa n da r cc u r v a t u r eo fp o l y u r e t h a n es u p p o r ts t r u c t u r eh a v ed i f f e r e n te f f e c t so nt h eg r o u n d i n gp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n dg r o u n d i n ga r e ao ft i r e T h eo p t i m i z i n go ft h ew i d t h,t h i c k n e s sa n da r cc u r v a t u r e o f t h e p o l y u r e t h a n e s u p p o r t s t r u c t u r e o f t h eT w e e l t i r e,e f f e c t i v e l y i m p r o v e s t h e g r i p a n d r e d u c e s t h eg r o u n d i n gr a d i a le x c i t a t i o nf o r c e,a n dj o i n t l yi m p r o v e st h eg r i pa n dv i b r a t i o nd a m p i n gp e r f o r m a n c eo ft h eT w e e lt i r e T h e r e l e v a n t r e s e a r c hr e s u l t sh a v eac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e f o r t h eR&Da n da p p l i c a t i o no fn o np n e u m a t i c t i r e s i nC h i n a K e yw o r d s:t i r e;p o l y u r e t h a n e;s t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o n(上接第 页)P r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e so f s i l i c o n e r u b b e rf i l l e dw i t hm e t a l c o a t e da l u m i n u mp o w d e rWANGY u e x i a n g,D ONGC h u n y u,MA W e i h a i,TONGZ o n g w e i,HANY a n g y a n g(C h i n a B e l a r u sB e l ta n d R o a d J o i n tL a b o r a t o r yo n E l e c t r o m a g n e t i c E n v i r o n m e n tE f f e c tT a i y u a n ,C h i n a;t h I n s t i t u t eo f C h i n a E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y G r o u p C o r p o r a t i o n,T a i y u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h i sw o r k,s i l v e rc o a t e da l u m i n u mp o w d e ra n dn i c k e lc o a t e da l u m i n u mp o w d e ra r es e l e c t e da s c o n d u c t i v e f i l l e r s t o f a b r i c a t e t w ok i n d so f c o n d u c t i v e s i l i c o n e r u b b e r c o m p o s i t e sb ym i x i n gt h e m w i t h l i q u i d s i l i c o n e,r e s p e c t i v e l y T h e m i c r o s t r u c t u r e,f i l l e rc o n d u c t i v e n e t w o r k,e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y,m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s,a n de l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e(EM I)s h i e l d i n gp r o p e r t i e so fs i l v e ra n dn i c k e lc o a t e da l u m i n u mf i l l e ds i l i c o n er u b b e rc o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n tf i l l e rc o n t e n ta r ed e t a i l l y i n v e s t i g a t e d B o t ht h e s i l v e r a n dn i c k e l c o a t e da l u m i n u mp o w d e r s c a no b t a i ng o o dd i s p e r s i o n i nt h es i l i c o n er u b b e rm a t r i xa n df o r mac o n d u c t i v en e t w o r k,t h u se n d o w i n gt h es i l i c o n er u b b e rw i t he x c e l l e n tc o n d u c t i v ep r o p e r t i e s,w h i l er e t a i nt h ef l e x i b i l i t ya n dd e f o r m a t i o na b i l i t yo ft h es i l i c o n er u b b e r,a n d b o t h o ft h e c o n d u c t i v e s i l i c o n er u b b e rc o m p o s i t e sc a n e x h i b i te x c e l l e n ts h i e l d i n gp e r f o r m a n c ei nt h e GH zr a n g e w i t h s u i t a b l ef i l l e rc o n t e n t T h ea v e r a g e EM Is h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so f t h es i l v e rc o a t e da l u m i n u mf i l l e ds i l i c o n er u b b e rc o m p o s i t e sc a nr e a c h d Ba t f i l l i n gc o n t e n t T h er e f l e c t i o no nt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e i s t h ep r i m a r ys h i e l d i n gm e c h a n i s mf o r t h et w om e t a l c o a t e da l u m i n u mp o w d e r f i l l e ds i l i c o n e r u b b e r c o m p o s i t e s,a n dt h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y i st h ec o n t r o l l i n gf a c t o r t h a td o m i n a t e s t h eEM I s h i e l d i n gp e r f o r m a n c eo f t h ec o m p o s i t e K e yw o r d s:s i l i c o n er u b b e r;s i l v e r c o a t e da l u m i n u m p o w d e r;n i c k e l c o a t e da l u m i n u m p o w d e r;e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g第期程新龙,等免充气轮胎支撑结构仿真分析与优化