自由充氣及旋轉工況下翻新輪胎應力分析

王 強，齊 鵬，王云龍，楊 兆，王國田

(1.黑龍江工程學院 汽車與交通工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050;2.哈爾濱職業(yè)技術學院 機械工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

隨著礦山開采、建筑施工等行業(yè)發(fā)展迅速，使工程車輛輪胎的需求量與日俱增，2017年的年產量約為1 500萬條，占輪胎總量的0.8%左右，但售額卻占全部輪胎的8%左右。一條工程車輛輪胎胎冠的耗膠量占整個輪胎耗膠量的15%左右，但其附加值卻比其它輪胎高出30%～50%左右[1-3]。目前，國外一些發(fā)達國家，如美國、日本、韓國及我國的研究主要集中在輪胎翻新行業(yè)狀況及相關政策分析、輪胎翻新工藝與技術、輪胎翻新設備研制及改進、翻新輪胎產品質量檢測、翻載重車輛新輪胎胎面改性增強技術等方面[4-6]。國外發(fā)達國家及我國的研究主要集中在載重車輛翻新輪胎方面，但對工程車輛翻新輪胎使用中表現出的宏觀及微觀力學性能研究卻不多。工程輪胎翻新基礎技術缺乏，其在使用過程中經常出現胎面不耐磨、易崩花掉塊，甚至出現胎面脫層、被壓爆及刺爆的損壞形式，嚴重影響其推廣應用。為此，本文通過構建工程車輛翻新輪胎的計算機幾何模型、各層應力約束條件及有限元分析模型，對26.5R25工程車輛翻新輪胎的胎面層、緩沖膠層、帶束層、舊胎體層、胎側層、趾口膠層及鋼絲圈部分的應力及剪切應力分布狀況進行數值模擬分析，探討翻新輪胎彈性應變及能量密度分布規(guī)律，可為工程車輛翻新輪胎的性能評價研究、翻新工藝優(yōu)化及使用推廣提供重要的理論指導。

1 工程車輛翻新輪胎的計算機幾何模型

本文以26.5R25工程車輛翻新輪胎為主要研究對象，其結構參數如表1所示，結構組成如圖1所示，應用Pro/E Wildfire軟件構建自由充氣及自由旋轉工況的三維裝配模型(見圖2)，三維幾何模型如圖3所示，主要由胎面、緩沖膠、帶束層、舊胎體、胎側、趾口膠及鋼絲圈組成[7-13]。

表1 26.5R25翻新輪胎結構參數

續(xù)表1

圖1 26.5R25翻新輪胎結構組成

圖2 自由充氣、自由旋轉工況三維裝配模型

圖3 三維幾何模型

2 工程車輛翻新輪胎各層應力約束條件

工程車輛翻新輪胎胎面層、緩沖層、胎側層、帶束層、胎體層等各層所能承受的最大應力需要滿足式(1)—式(5)的約束條件

σm≤[σmr]·K，

(1)

σh≤[σhr]·K，

(2)

σc≤[σcr]·K，

(3)

(4)

(5)

式中：σm、σh、σc、σd、σt分別為胎面層、緩沖層、胎側層、帶束層及胎體層所受應力，MPa；σmr，σhr，σcr分別為胎面層、緩沖層及胎側層的最大許用應力，MPa；K為各層設計安全系數；P為輪胎充氣壓力，kPa；Rk為胎面點半徑，m；R0為斷面最寬點半徑，m；n為胎體層鋼絲-簾線層數，層；ik為胎體層鋼絲-簾線密度，根/m；αk為帶束層的鋼絲-簾線角度，(°)。

胎面層和緩沖層之間、帶束層和緩沖層之間所承受的剪切應力應滿足式(6)～式(7)的約束條件

τmh≤[τmh]·K，

(6)

τhd≤[τhd]·K.

(7)

式中：τmh、τhd分別為胎面層和緩沖層之間、帶束層和緩沖層之間所受的剪切應力，MPa;τmh，τhd分別為胎面層和緩沖層之間、帶束層和緩沖層之間的許用剪切應力，MPa;K為剪切強度安全系數。

3 工程車輛翻新輪胎自由充氣、自由旋轉工況有限元模型

利用ANSYS軟件構建工程翻新輪胎有限元模型(見圖4)，采用四面體單元結構局部細化方式進行網格劃分，模型共有200 089個自由度，10 223個單元和94 445個節(jié)點。其中胎體層和帶束層采用復合材料Layer單元模擬，胎面層、緩沖層、胎側層及趾口膠層采用Mooney-Rivlin模型來模擬，鋼絲圈層采用Solid單元模擬，各層的材料參數如表2所示[14-17]。

圖4 有限元模型

自由充氣及自由旋轉工況約束加載模型如圖5所示，其中自由充氣工況在輪輞、趾口膠層部位進行alldof約束，自由旋轉工況在輪輞部位進行X、Y、Z方向的位移約束，車輛行駛速度為30 km/h(即3.1 rad/s)，胎壓設定為600 kPa，模型求解計算設定為非線性大變形，采用平衡迭代的方式，計算過程可分為1 000個子步。

表2 各層材料參數

圖5 約束加載模型

4 工程車輛翻新輪胎自由充氣、自由旋轉工況各層應力有限元分析

4.1 自由充氣工況各層應力有限元分析

工程翻新輪胎在胎壓為600 kPa的應力云圖如圖6所示，沿輪胎徑向方向應力分布規(guī)律，鋼絲圈層應力(38.05 MPa)>胎體層應力(0.81 MPa)>帶束層應力(0.42 MPa)>緩沖層應力(0.26 MPa)>胎面層應力(0.14 MPa)。各層沿輪胎寬度方向的應力分布曲線如圖7所示，其中胎面層、緩沖層、帶束層的應力值呈現倒“V”型變化趨勢，均在胎面的中線處出現較大值，沿著輪胎寬度方向逐漸減小，至胎肩部位達到最小值，而胎體層的應力呈現“W”的變化趨勢，且在胎肩部位應力達到最大值(2.24 MPa)。結果表明，工程翻新輪胎在自由充氣工況下，其主要承力部件為鋼絲圈層和胎體層，在充氣壓力作用下向外膨脹，胎面層、緩沖層及帶束層向外擴張形成緊箍的效應，其中在胎肩部位胎體層與帶束層存在較大的應力梯度，工程翻新輪胎舊胎體質量對翻新后輪胎的力學性能將產生直接影響，且在翻新前要特別注意舊胎體胎肩部位損傷缺陷的檢測。

圖6 應力云圖

圖7 層沿輪胎寬度方向的應力

工程翻新輪胎在胎壓為600 kPa的綜合剪切應力云圖如圖8所示，沿輪胎徑向方向剪切應力分布規(guī)律，胎體內側胎肩處剪切應力(0.044 MPa)>鋼絲圈剪切應力(0.003 MPa)>帶束層剪切應力(0.002 MPa)>胎體層剪切應力(0.0016 MPa)>緩沖層剪切應力(0.001 MPa)>胎面層剪切應力(0.000 7 MPa)，結果表明舊胎體內側胎肩部位橡膠由于已存在一定程度的老化，受力后與鋼絲簾布之間形成較大的剪切應力，同時，舊胎體上的趾口膠層橡膠也存在一定程度的老化，其與鋼絲圈形成剛性體與柔性體接觸對，在內應力作用下，二者之間形成在較大的剪切應力。因此，工程輪胎舊胎體在翻新前要注重對鋼絲圈部位橡膠、胎體內側胎肩處部位的損傷缺陷檢測。各層沿輪胎寬度方向的剪切應力分布曲線如圖9所示，胎面層、緩沖層、帶束層及胎體層的剪切應力值均較小，其中胎面層、帶束層及胎體層的剪切應力呈現倒“V”型的變化趨勢，而緩沖層剪切應力呈現“W”的變化趨勢。結果表明，工程輪胎翻新后各層之間一定要緊密粘附，且在胎面層、緩沖層及胎體層胎肩接觸部位橡膠融合要合理，否則，會由于剪切應力梯度的不均衡使胎面層與胎體層在胎肩部位脫層失效。

圖8 剪切應力云圖

圖9 各層沿輪胎寬度方向剪切應力

工程車輛翻新輪胎彈性應變分布云圖如圖10所示，應變能量密度分布云圖如圖11所示。由圖10、圖11可知，翻新輪胎胎側應變最大，其主要原因是：胎側是由一層鋼絲簾線和較薄的橡膠組成，在受力時更容易發(fā)生形變；胎面層位應變能密度最大，且在輪胎寬度方向中心位置最大，向兩側胎肩方向逐漸減小，主要原因是胎面較厚，在受到較小的充氣張力后，其能量不易擴散，導致集聚的應變能量較高。不同充氣壓力下最大應力和最大剪切應力對比曲線如圖12所示。由圖12可知，隨著充氣壓力的增加，其最大應力和最大剪切應力均線性增大，但最大應力變化率遠遠大于最大剪切應力變化率，表明充氣壓力的大小對工程翻新輪胎各層的應力會產生較大影響，對剪切應力產生的影響較小。

圖10 彈性應變分布云圖

圖11 應變能量密度分布云圖

圖12 不同充氣壓力下最大應力及最大剪切應力曲線

4.2 自由旋轉工況各層應力有限元分析

在充氣壓力600 kPa、自由行駛速度30 km/h時的工程車輛翻新輪胎綜合應力云圖、綜合剪切應力云圖、彈性應變分布云圖、應變能量密度分布如圖13—圖16所示。由圖13—圖16可知，自由旋轉工況下翻新輪胎的各層應力、剪切應力、彈性應變及應變能量密度分布規(guī)律與自由充氣工況下相似，但各項值均有所增大。應力及剪切應力最大值隨輪胎速度變化曲線如圖17、圖18所示。由圖17、圖18可知，工程翻新輪胎應力及剪切應力隨著輪胎自由行駛速度的增加而近似線性增大，但當速度大于40 km/h后，其最大應力和最大剪切應力幾乎變化不大。結果表明：工程翻新輪胎自由旋轉工況下將會產生較大的離心力，在離心載荷作用下，導致胎體層和帶束層承受的應力較大，且剪切應力主要集中在帶束層與緩沖層交匯處。因此，舊胎體的質量對輪胎翻新后的力學性能將會產生較大的影響，且?guī)鴮优c緩沖層容易出現脫層失效情況。

圖13 綜合應力云圖

圖14 綜合剪切應力云圖

圖15 彈性應變分布云圖

圖16 應變能量密度分布云圖

圖17 應力隨速度變化曲線(p= 600 kPa)

圖18 剪切應力隨速度變化曲線(p=600 kPa)

5 結 論

1)確定了自由充氣及自由旋轉工況下工程車輛翻新輪胎胎面層、緩沖層、胎側層、帶束層、胎體層等各層應力約束條件，胎面層和緩沖層之間、帶束層和緩沖層之間所承受的剪切應力約束條件，數值模擬分析了工程車輛翻新輪胎各層的應力、剪切應力、彈性應變及應變能量密度分布及變化規(guī)律。

2)在自由充氣及自由旋轉工況下，工程翻新輪胎胎體層及胎面層胎肩部位所受應力最大，帶束層次之，緩沖層及胎面層較小，緩沖層與帶束層之間存在較大的剪切應力。

3)工程翻新輪胎胎體層及帶束層為主要承力部件，翻新前應注重胎體層及帶束層的質量檢測，翻新時要增強帶束層與緩沖層的粘合強度。