24R21子午线轮胎接地和肩部耐久性能的协调设计.pdf

研究开发弹性体,():CH I NAE L A S TOME R I C S基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:罗康玉(),男,山东济宁人,在读硕士研究生,主要从事橡胶疲劳方面的研究工作.通信作者:雍占福(),男,宁夏中卫人,研究员,主要从事聚合物力学领域方面的研究工作.收稿日期:R 子午线轮胎接地和肩部耐久性能的协调设计罗康玉,宋二华,冯强,雍占福(青岛科技大学 高分子科学与工程学院,山东 青岛 ;山东亿和橡胶输送带有限公司,山东 枣庄 )摘要:针对子 午 线 轮 胎 的 接 地 和 肩 部 耐 久 性 能,以 R 型 子 午 线 轮 胎 为 研 究 对 象,基 于A B AQU S软件进行建模分析,通过设计正交实验,研究了带束层宽度、厚度和角度的变化对接地和肩部耐久性能的影响.结果表明,带束层的设计角度对轮胎接地性能的影响最大,合适的设计角度可以优化轮胎的接地性能;带束层的设计厚度对肩部耐久性能的影响最大,宽度次之.对接地和肩部耐久性能进行了协调优化,在保证接地性能基本不变的情况下,改善了肩部耐久性能,并得出最优方案,即带束层的宽度为 mm、厚度为 mm、角度为 .关键词:有限元分析;正交设计;子午线轮胎;带束层中图分类号:TQ 文献标志码:A文章编号:()轮胎作为汽车中唯一的接地部件,轮胎的接地和肩部耐久性能对车辆的安全有非常重要的意义.带束层在子午线轮胎中位于胎面下方,沿轮胎中心线圆周方向箍紧胎体,是轮胎结构中主要的受力部件之一.合理的带束层结构设计对于轮胎接地性能和肩部耐久性能影响较大,而带束层作为带束层中主要的工作层,具有承担轮胎内压力,改善接地压力分布,提升肩部耐久性能的作用,所以对于提升轮胎胎肩耐久性能而言,带束层的结构设计至关重要.随着计算机的发展,有限元分析在轮胎研发中越来越重要,合理地使用有限元分析可以缩短实验时间,降低实验成本.有限元分析可以帮助研究人员在设计阶段发现结构设计中的缺陷与不足,并针对不足和缺陷进行改善.对于有限元分析在轮胎结构设计中的应用,研究人员为此做了大量的工作.闫相桥等借助有限元分析研究了带束层宽度对胎圈附近胎体张应力的影响,发现随着轮胎带束层的宽度增大,胎体张应力也随之增大.钱一婷使用有限元分析的方法改进了胎肩轮廓,降低了轮胎肩部剪切力.王宝凯 通过有限元仿真研究了带束层的角度变化对接地印痕和扭转刚性的影响,发现随着带束层角度的增加,接地印痕形状由椭圆形趋向于方形,扭转刚性逐渐增大;郭磊磊等通过A B AQU S软件研究了带束层橡胶材料的厚度对最大主应变的影响.本文以 R 型子午线轮胎为研究对象,使用有限元分析软件A B A Q U S建立三维有限元模型,以带束层的宽度、厚度和角度为实验变量,设计了三因素三水平的正交实验.通过对正交实验结果进行极差分析,研究了三种因素对轮胎接地性能和肩部耐久性能的影响.对接地性能和肩部耐久性能进行协调优化,得到了最优的设计方案.本研究将有限元分析和正交实验相结合,最终实现子午线轮胎接地性能和肩部耐久性能的协调控制.轮胎有限元模型的建立和分析本构模型的选取橡胶材料的本构关系复杂且本构方程种类较多,在橡胶材料进行有限元分析时,常用本构模型有Y e o h模型、M o o n e y R i v l i n模型等 .本文使用Y e o h模 型 作 为 橡 胶 材 料 的 本 构 模 型,Y e o h模型相较于M o o n e y R i v l i n模型更适用于较大的变形范围,并且在精度足够的情况下形式较为 简 单.Y e o h模 型 是 基 于 唯 象 学 理 论,Y e o h模型应变能函数为式().WC(I)C(I)C(I)()式中:C 为初始剪切模量;C、C 为材料参数;I为第一应变张量不变量.轮胎有限元模型的建立使用C A D软件对 R 规格轮胎的材料分布图进行处理,对装饰线、防擦线等不必要的结构进行简化,以提高其精度和收敛速度.将处理好的橡胶和帘线模型以D X F格式保存,然后导入H y p e r m e s h中进行网格划分,网格文件以I N P格式导出.将网格模型导入到A B AQU S中完成二维有限元模型的建立,二维有限元模型的建模示意图如图所示.橡胶网格使用C GA X H和C GA X H的单元类型;钢丝骨架采用S F E GA X 单元类型;轮辋模型为轴对称的刚体模型.图轮胎二维有限元模型建模流程示意图基于轮胎的二维有限元模型,通过重新启动分析,使用A B A Q U S自带的 s y m m e t r i cm o d e l g e n e r a t i o n关键字,利用“r e v o l o v e”指令,将轮胎二维有限元模型转动一周,获得三维模型.图为 R 型全钢载重子午线轮胎的三维有限元模型.图轮胎三维有限元模型正交实验将带束层的宽度、厚度和角度作为正交实验的三因子,分别记为A因子、B因子和C因子,具体数值如表所示,建立L()的正交实验,实验方案如表所示.原轮胎设计方案的宽度、厚度和角度分别为 mm、mm、.表正交设计表水平A因子B因子C因子宽度/mm厚度/mm角度/()水平 水平 水平 表正交实验方案方案因子A水平因子B水平因子C水平实验一实验二实验三实验四实验五实验六实验七实验八实验九结果与讨论轮胎接地性能研究人员通常使用接地面积、平均接地压力、硬度系数和接地压力偏度值等指标来评价轮胎的接地性能 .王国林等 研究发现,通过接地压力偏度值和接地面积可以对轮胎的接地性能进行有效表征.本课题组李伟、王锐佳 研究表明,接地压力偏度值和接地面积与轮胎的实际磨损有较强的相关性.本文采用接地压力偏度值和接地面积这两个指标来表征轮胎的接地性能.图为有限元分析的接地压力分布云图.图轮胎有限元模型接地压力云图第期罗康玉,等 R 子午线轮胎接地和肩部耐久性能的协调设计接地压力偏度值接地压力偏度值是反映接地压力分布离散程度的指标,接地压力偏度值越大,接地压力分布越不均匀,橡胶的磨损速度也就越快,也越容易出现不均匀的磨损 .接地压力偏度值()的表示公式见式().nniPiP()()式中:Pi为n个传感器中的第i个测得的压力值;P为接地面积内的压力平均值.采用极差法分析各因素对接地压力偏度值的影响,接地压力偏度值的均值和极差数据如表所示.表接地压力偏度值均值和极差指标)因素A(宽度)B(厚度)C(角度)K K K R )Ki为轮胎接地压力偏度值的均值;R为极差.通过对表中的极差数据进行分析发现,三个因素中对接地压力偏度值影响最大的是角度因素,然后是宽度因素,最小的是厚度因素.为了延长胎冠的使用寿命,减少磨损速度,在进行结构设计时,接地压力偏度值应越小越好.因此角度因素取水平,宽度因素取水平,厚度因素取水平,最优方案为ABC.接地面积轮胎在行驶过程中,接地面积对于轮胎的行驶稳定性至关重要.较大的接地面积可以使车辆行驶更加稳定,拥有更好的抓地力.对正交实验结果进行直观法分析,研究各因素对接地面积的影响,接地面积均值和极差如表所示.表接地面积均值和极差指标)/mm因素A(宽度)B(厚度)C(角度)K K K R )Ki为轮胎接地面积的均值;R为极差.通过对表中的实验数据进行极差分析发现,三个因素中对接地面积影响最大的是角度因素,然后是厚度因素,最小的是宽度因素.为了提高汽车的行驶稳定性和抓地力,应选用接地面积大的设计方案,故角度因素取水平,厚度因素取水 平,宽 度 因 素 取 水 平,即 最 优 方 案为ABC.根据上述讨论,轮胎接地性能的最优方案为ABC.胎肩耐久性能在轮胎的使用过程中,轮胎肩部是最易损坏的部位之一,这种疲劳损坏其实质是由微观裂纹的产生,并扩展至宏观裂纹的过程 .轮胎在使用过程中,带束层作为工作层,往往需要承受高应力、高应变和高的应变能密度,这也就导致带束层末端相较于其他带束层,更容易产生疲劳裂纹,也是胎肩疲劳损坏的主要原因 .针对带束层末端的病象原因,本文通过分析带束层末端的M i s e s应力、名义第一主应变和应变能密度的变化,探究三种因素对于肩部耐久性能的影响,通过极差分析得到肩部耐久性能的最优设计方案.带束层末端位置如图所示.图带束层末端模型示意图应变能密度橡胶材料在发生疲劳失效时,往往是先萌发细小裂纹,进而逐步扩展成宏观裂纹.在裂纹产生和扩展的过程中,橡胶材料的最大撕裂能影响着材料裂纹的生成和生长速度.橡胶材料的撕裂能越大,裂纹的生成和生长速度越快,橡胶材料的疲劳耐久性能越差.橡胶材料的最大撕裂能(Tm a x)计算公式见式().Tm a x l Em a x/()弹性体第 卷式中:l为初始裂纹参数;Em a x为最大应变能密度;为主伸长率.由式()可以看出,在伸长率等参数一致时,Tm a x与Em a x成正比,因此可以通过橡胶材料的最大应变能密度来反映材料的疲劳寿命.在使用条件相同时,拥有较小应变能密度的材料,其疲劳寿命也就越高.将实验方案的最大应变能密度结果进行直观法分析,表为分析结果的均值和极差.通过对R值分析可以发现,对带束层末端最大应变能密度影响最大的因素是厚度,其次是宽度,最小的是角度.为提高胎肩耐久性能,要求带束层末端的应变能密度越小越好.根据各个因素的Ki和R值,厚度选取水平,宽度选取水平,角度选取水平,即最优方案为ABC.表最大应变能密度的均值和极差指标)/(m Jmm)因素A(宽度)B(厚度)C(角度)K K K R )Ki为带束层末端最大应变能密度的平均值;R为极差.最大M i s e s应力M i s e s屈服准则 介绍了当点应力状态的等效应力达到某一与应力状态无关的定值时,材料就会发生屈服.M i s e s应力值越大,材料越容易发生 损 坏.在 进 行 轮 胎 结 构 设 计 时,应 选 用M i s e s应力较小的方案.表为正交实验方案中带束层末端最大M i s e s应力均值和极差.表最大M i s e s应力均值和极差指标)/MP a因素A(宽度)B(厚度)C(角度)K K K R )Ki为带束层末端最大M i s e s应力的平均值;R为极差.对表中的均值和极差进行分析,带束层末端部位最大M i s e s应力影响最大的是厚度,其次是宽度和角度.当橡胶材料的M i s e s应力值增大时,轮胎部件更易发生屈服从而损坏,所以在优化设计时应选取M i s e s应力值较小的方案.根据表中Ki和R值分析结果,厚度因素选取水平,宽度因素选取水平,角度因素选取水平,此时最优方案为ABC.名义第一主应变名义第一主应变是材料厚度方向上的最大主应变,当最大名义第一主应变达到材料断裂破坏应变时,材料就会发生断裂损坏.在轮胎结构优化中,可以通过降低最大名义第一主应变的办法提高胎肩耐久性能、延长轮胎的使用寿命.表为正交实验方案中带束层末端最大名义第一主应变的均值和极差.表最大名义第一主应变均值和极差指标)/因素A(宽度)B(厚度)C(角度)K K K R )Ki为带束层末端最大名义第一主应变的平均值;R为极差.对表中的均值和极差进行分析,带束层末端最大名义第一主应变影响最大的因素是宽度,其次是厚度和角度.优化目标是降低带束层末端名义第一主应变,故宽度因素应取水平,厚度因素应取水平,角度因素应取水平,则最优方案为ABC.通过对带束层末端最大应变能密度、最大M i s e s应力、最大名义第一主应变三个指标的分析,在提升胎肩耐久性能上,最优方案为ABC.综合讨论综合考虑轮胎接地性能和胎肩耐久性能,对轮胎结构进行协调优化.在接地性能方面,由于角度因素对接地性能的影响最大,而角度因素对胎肩耐久性能的影响最小,所以在角度因素的分析中,应以接地性能的极差分析为主,故厚角度因素选取水平;厚度因素对胎肩耐久性能影响最大,且对于接地性能的指标K和K相差不大,故宽度因素和厚度因素都选取水平.综合考虑轮胎接地性能和胎肩耐久性能,轮胎带束层最优设计方案为ABC.第期罗康玉,等 R 子午线轮胎接地和肩部耐久性能的协调设计优化对比表为最优方案与原始方案的各指标计算结果.表原始方案与最优方案对比结果评价指标原始方案最优方案接地面积/mm 接地压力偏度值 最大应变能密度/(m Jmm)最大M i s e s应力/MP a 最大名义第一主应变/对比表中的计算数据,最优方案较原始方案接地应力偏度值增加了,接地面积增加了,最优方案的接地性能较之原始方案基本不变;带 束 层 末 端 最 大 应 变 能 密 度 减 少 了 ,最大M i s e s应力减少了 ,最大名义第一主应变减少了 ,最优方案的肩部耐久性能较原始设计方案明显提升.结论()在带束层的三个因素中,角度对轮胎接地性能的影响最大,宽度次之,厚度最小;然而,对于肩部耐久性能而言,厚度影响最大,宽度次之,角度最小.()当带束层的宽度为 mm,厚度为mm,角度为 时,可以实现接地性能和肩部耐久性能的协调控制.与原始设计方案相比,最优方案中带束层末端的最大应变能密度减少了 ,最大M i s e s应力减少了 ,最大名义第一主应变减少了 .参考文献:王宝凯 /R 子午线轮胎的结构设计、带束层优化与性能研究D青岛:青岛科技大学,郑益平,王泽君,张颖 R P R无内胎全钢载重子午线轮胎带束层结构的调整设计J轮胎工业,():韩平安,雍占福,王青春全钢载重子午线轮胎带束层结构对接地性能的影响J橡胶科技,():闫相桥,乌大琨,王友善轮胎结构有限元分析应用于轮胎结构优选带束层宽度的优选J轮胎工业,():钱一婷无内胎载重子午线轮胎冠部及接地性能分析与优化D哈尔滨:哈尔滨工业大学,郭磊磊,朱振华,张敏 L T /R 轻型载重子午线轮胎不同覆胶厚度带束层应变的有限元仿真分析J轮胎工业,():Y E OHOH C h a r a c t e r i z a t i o no fe l a s t i cp r o p e r t i e so fc a r b o n b l a c k f i l l e dr u b b e rv u l c a n i z a t e sJ R u b b e rC h e m i s t r ya n dT e c h n o l o g y,():MOON E Y MJ At h e o r yo f l a r g ee l a s t i cd e f o r m a t i o nJJ o u r n a l o fA p p l i e dP h y s i c s,():R I V L I N R S,S AUN D E R S D WL a r g ee l a s t i cd e f o r m a t i o n so fi s o t r o p i cm a t e r i a l s V I I E x p e r i m e n ts o nt h ed e f o r m a t i o no fr u b b e rJ P h i l o s o p h i c a lT r a n s a c t i o n so ft h eR o y a lS o c i e t yo fL o n d o n,():C HE N J S,P AN C Ap r e s s u r ep r o j e c t i o n m e t h o df o rn e a r l yi n c o m p r e s s i b l er u b b e rh y p e r e l a s t i c i t yP a r tI:T h e o r yJJ o u r n a l o fA p p l i e dM e c h a n i c s,():傅相诚,张伟伟,车明明,等基于A b a q u s的轮胎接地印痕优化分析J轮胎工业,():梁晨子午线轮胎综合接地性能评价体系与方法研究D镇江:江苏大学,王国林,陈幸鹏,周海超接地特性参数对轮胎抓地性能的影响研究J汽车工程,():李伟基于A B AQU S /R 绿色公交子午线轮胎耐磨性能优化D青岛:青岛科技大学,王锐佳基于A B AQU S /R 轮胎磨损仿真研究D青岛:青岛科技大学,姚震基于A B AQU S建模的轮胎接地性态分析D宁波:宁波大学,程冬冬,刘臣才,束永平子午线轮胎静载特性的三维精细网格有限元分析J橡胶工业,():S E ON G R A EK,HAN S E OKP T h ep r e d i c t i o nm e t h o d o l o g yf o r t i r esh i g hs p e e dd u r a b i l i t yr e g u l a t i o nt e s tu s i n ga f i n i t ee l e m e n tm e t h o dJI n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fF a t i g u e,():郭浩石墨烯复合填料/橡胶复合材料的疲劳性能研究D北京:北京化工大学,雍占福磁流变弹性体的 制备与疲劳断 裂机 理 研 究 D青岛:青岛科技大学,李志超,危银涛,金状兵,等基于裂纹形核理论的橡胶制品疲劳研究J弹性体,():章顺虎,李寅雪,姜兴睿,等平均化屈服准则及其在管道失效解析中的应用J哈尔滨工业大学学报,():上官文斌,姚斌辉,李武成,等考虑应变均值影响的天然橡胶隔振元件疲劳寿命预测J振动与冲击,():(下转第 页)弹性体第 卷许金山,雷凌不同类型黏度指数改进剂对低黏度节能型发动机油性能的影响J石油科技,():于军,曹聪蕊,程亮,等黏度指数改进剂在发动机油中的应用及性能分析J润滑油,():杨雨富,王晓莉,乔楠林,等乙烯丙烯共聚物类黏度指数改进剂低温 性能研究J化工新型材 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i v e m o l e c u l a r m a s so fe t h y l e n ep r o p y l e n er u b b e ro nt h e t h i c k e n i n ga n ds h e a r r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo f l u b r i c a n t o i lw e r e s t u d i e d T h e r e s u l th a ss h o w nt h a t t h es h e a rs t a b i l i t yi n d e xo fe t h y l e n ep r o p y l e n er u b b e r i n d e xi m p r o v e rd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f e t h y l e n ec o n t e n t a t t h es a m em o l e c u l a rw e i g h t,a n dt h es h e a r s t a b i l i t y i n d e x i n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gr e l a t i v em o l e c u l a rm a s s a t t h e s a m e e t h y l e n e c o n t e n t F u r t h e r r e s e a r c hw a s c o n d u c t e do n t h er e l a t i v em o l e c u l a r m a s sc h a n g e so fe t h y l e n ep r o p y l e n er u b b e rb e f o r ea n da f t e r m e c h a n i c a ls h e a r,p r o v i d i n gd i r e c t i o nf o r t h e f u t u r ed e v e l o p m e n to f e t h y l e n ep r o p y l e n er u b b e rv i s c o s i t y i n d e x i m p r o v e r K e yw o r d s:e t h y l e n ep r o p y l e n e r u b b e r;v i s c o s i t y i n d e x i m p r o v e r;s h e a r s t a b i l i t y i n d e x;l u b r i c a n t o i l(上接第 页)B a l a n c e dd e s i g no f g r o u n d i n ga n ds h o u l d e rd u r a b i l i t yo f R r a d i a l t i r eL UOK a n g y u,S ONGE r h u a,F E NGQ i a n g,YONGZ h a n f u(S c h o o l o f P o l y m e r S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,Q i n g d a o ,C h i n a;S h a n d o n gY i h eR u b b e rC o n v e r y o rB e l tC o,L t d,Z a o z h u a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h eg r o u n d i n ga n ds h o u l d e rd u r a b i l i t yo f r a d i a l t i r e,t a k i n g R r a d i a l t i r ea s t h er e s e a r c ho b j e c t,t h em o d e l i n ga n a l y s i sw a sc a r r i e do u tb a s e do nA b a q u ss o f t w a r e T h r o u g ht h ed e s i g no fo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t,t h e i n f l u e n c eo fb e l tw i d t h,t h i c k n e s sa n da n g l eo nt h eg r o u n d i n ga n ds h o u l d e rd u r a b i l i t y w a ss t u d i e d T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e s i g na n g l eo fb e l th a dt h eg r e a t e s ti n f l u e n c eo nt h eg r o u n d i n gp e r f o r m a n c eo ft i r e,a n dt h ea p p r o p r i a t ed e s i g na n g l ec o u l do p t i m i z e t h eg r o u n d i n gp e r f o r m a n c eo f t i r e T h ed e s i g nt h i c k n e s so f t h eb e l t l a y e rh a dt h eg r e a t e s ti n f l u e n c eo nt h ed u r a b i l i t yo ft h es h o u l d e r,f o l l o w e db yt h e w i d t h I nt h i sp a p e r,t h ec o o r d i n a t e do p t i m i z a t i o no fg r o u n d i n ga n ds h o u l d e rd u r a b i l i t y w a sc a r r i e do u t T h es h o u l d e rd u r a b i l i t y w a si m p r o v e dw h i l et h eg r o u n d i n gp e r f o r m a n c ew a sb a s i c a l l yu n c h a n g e d T h eo p t i m a ls c h e m eo fb e l tw a s mm w i d t h,mmt h i c k n e s sa n da n g l e K e yw o r d s:r a d i a l t i r e;b e l t l a y e r;f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s;o r t h o g o n a l d e s i g n第期张文革,等二元乙丙橡胶润滑油黏度指数改进剂剪切性能的影响因素