工程車輛翻新輪胎各層應(yīng)力數(shù)值模擬分析

王 強(qiáng)，齊曉杰，王云龍，楊 兆，王國(guó)田

(黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院， 哈爾濱 150050)

1 工程車輛翻新輪胎計(jì)算機(jī)幾何模型

本文以26.5 R25工程車輛翻新輪胎為主要研究對(duì)象，其材料分布如圖1所示。應(yīng)用Pro/E Wildfire軟件折彎等特征構(gòu)建的三維幾何模型如圖2所示，構(gòu)建的接地工況三維裝配模型如圖3所示，主要由胎面層、緩沖膠層、胎側(cè)層、趾口膠層、鋼絲圈層及地面組成[12-14]。本文研究的工程翻新輪胎胎面花紋溝較窄(花紋溝面積僅占胎面總面積的5%左右)，將胎面花紋對(duì)性能的影響忽略不計(jì)，故將花紋簡(jiǎn)化處理掉。

1.胎面層; 2.緩沖膠層; 3.帶束層; 4.胎體層; 5.胎側(cè)層; 6.趾口膠層; 7.鋼絲圈

圖2 三維幾何模型

圖3 接地工況三維裝配模型

2 工程車輛翻新輪胎與地面接觸對(duì)模型

26.5 R25翻新輪胎與地面接觸對(duì)模型應(yīng)用罰函數(shù)法進(jìn)行構(gòu)建，并利用摩擦接觸模型進(jìn)行描述，設(shè)置輪胎胎面為接觸面、地面為目標(biāo)面。翻新輪胎既受到徑向力又受到切向力的作用，其徑向力大小與徑向接觸剛度、胎面與地面的間距有關(guān)，可用式(1)來(lái)描述。切向力大小與胎面所處狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)胎面處于黏著狀態(tài)時(shí)，其大小與切向剛度、胎面的彈性變形量有關(guān)；當(dāng)胎面處于滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其大小與滑動(dòng)摩擦因數(shù)、徑向力有關(guān)。2種狀態(tài)下的切向力可用式(2)來(lái)描述[14]。

式中： fn為徑向力(N)； fs為切向力(N)；Kn為法向接觸剛度(N/mm)；C為胎面與地面的間距(mm)； Kt為切向剛度(N/mm)； ηe為胎面的彈性變形量(mm)； μ為滑動(dòng)摩擦因數(shù)。

3 工程車輛翻新輪胎有限元分析模型

應(yīng)用ANSYSWorkbench軟件構(gòu)建的有限元模型如圖4所示，構(gòu)建的與地面接觸對(duì)模型如圖5所示。網(wǎng)格劃分采用四面體單元形式并局部進(jìn)行細(xì)化，模型由199 976個(gè)自由度、68 377個(gè)節(jié)點(diǎn)、41 554個(gè)單元組成，輪胎與地面之間的接觸摩擦因數(shù)設(shè)定為0.9。舊胎體層和帶束層采用Layer單元模擬，胎面層、緩沖膠層、胎側(cè)層、趾口膠層采用Mooney-Rivlin模型模擬，鋼絲圈層采用Solid單元來(lái)模擬[15-18]，各層材料參數(shù)如表1所示。

圖4 有限元模型圖5 接觸對(duì)模型

表1 各層材料參數(shù)

4 各層應(yīng)力及剪切應(yīng)力有限元數(shù)值模擬

約束加載后的模型如圖6所示，鋼絲圈部位與輪輞固定全約束，路面各節(jié)點(diǎn)固定全約束，輪輞中心點(diǎn)約束X、Z方向自由度，胎壓為600kPa、載荷為135kN、摩擦因數(shù)為0.9，模型求解計(jì)算設(shè)定為非線性大變形，采用平衡迭代的方式，計(jì)算過(guò)程分為1 000個(gè)子步。獲得的翻新輪胎綜合應(yīng)力云圖和綜合剪切應(yīng)力云圖分別如圖7、8所示。由圖7、8可知：其最大應(yīng)力發(fā)生在帶束層部位(15.11MPa)，最大剪切應(yīng)力發(fā)生在帶束層和緩沖膠層界面交聯(lián)區(qū)域(9.51MPa)。

圖6 約束加載模型

圖7 綜合應(yīng)力云圖

圖8 綜合剪切應(yīng)力云圖

各層應(yīng)力云圖如圖9所示，各層應(yīng)力沿輪胎寬度方向分布曲線如圖10所示。

圖9 各層應(yīng)力云圖

圖10 各層應(yīng)力沿輪胎寬度方向分布曲線

由圖9、10可知：胎面層應(yīng)力分布范圍為 0.97～4.25MPa，其最大應(yīng)力(4.25MPa)發(fā)生在胎肩部位，應(yīng)力沿輪胎寬度方向呈現(xiàn)“W”型變化趨勢(shì)；緩沖層應(yīng)力分布范圍為0.49～1.65MPa，其最大應(yīng)力(1.65MPa)發(fā)生在緩沖層的邊緣，應(yīng)力沿輪胎寬度方向呈現(xiàn)“V”型變化趨勢(shì)，在輪胎接地中心處最?。粠鴮討?yīng)力分布范圍為3.40～14.90MPa，其最大應(yīng)力(14.90MPa)出現(xiàn)在帶束層與緩沖層交界面的接地區(qū)域中心，沿寬度方向向兩側(cè)逐漸減小，到帶束層邊緣處又增大；胎體層應(yīng)力分布范圍為2.43～10.64MPa，其最大應(yīng)力(10.64MPa)出現(xiàn)在胎體層與帶束層交界面的接地區(qū)域中心，其變化趨勢(shì)與帶束層相近，沿寬度方向向兩側(cè)逐漸減小，到胎體邊緣處又增大；胎側(cè)層應(yīng)力分布范圍為1.45～6.38MPa，其最大應(yīng)力(6.38MPa)出現(xiàn)在胎側(cè)與胎肩接觸部位；趾口膠層應(yīng)力分布范圍為1.45～9.58MPa，其最大應(yīng)力(9.58MPa)出現(xiàn)在趾口膠層內(nèi)側(cè)。綜合分析各層的應(yīng)力分布情況，工程翻新輪胎各層所受應(yīng)力大小關(guān)系為帶束層所受應(yīng)力>胎體層所受應(yīng)力>趾口膠層所受應(yīng)力>胎側(cè)層所受應(yīng)力>胎面層所受應(yīng)力>緩沖膠層所受應(yīng)力，說(shuō)明工程翻新輪胎帶束層為主要承力部件，舊胎體中帶束鋼絲簾線的好壞程度對(duì)翻新后輪胎力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生較大影響。

各層剪切應(yīng)力云圖如圖11所示，各層剪切應(yīng)力沿輪胎寬度方向分布曲線如圖12所示。由圖11、12可知：胎面層剪切應(yīng)力分布范圍為-2.74～2.74MPa，其最大剪切應(yīng)力(2.74MPa)發(fā)生在胎肩部位，剪切應(yīng)力沿輪胎寬度方向呈現(xiàn)“W”型變化趨勢(shì)；緩沖膠層剪切應(yīng)力分布范圍為-3.79～3.79MPa，其最大剪切應(yīng)力(3.79MPa)發(fā)生在緩沖層的邊緣；帶束層剪切應(yīng)力分布范圍為-9.45～9.45MPa，其最大剪切應(yīng)力(9.45MPa)出現(xiàn)在帶束層邊緣位置，沿寬度方向向中心區(qū)域逐漸減??；胎體層剪切應(yīng)力分布范圍為-6.30～6.30MPa，其最大剪切應(yīng)力(6.30MPa)出現(xiàn)在胎肩部位；胎側(cè)層剪切應(yīng)力分布范圍為-3.15～3.15MPa，其最大剪切應(yīng)力(3.15MPa)出現(xiàn)在胎側(cè)與胎肩接觸部位；趾口膠層剪切應(yīng)力分布范圍為-5.48～5.48MPa，其最大剪切應(yīng)力(5.48MPa)出現(xiàn)在趾口膠層內(nèi)側(cè)。緩沖膠層、帶束層、胎體層、胎側(cè)層及趾口膠層的剪切應(yīng)力沿輪胎寬度方向均呈現(xiàn)“V”型變化趨勢(shì)，均在接地中心位置剪切應(yīng)力最小。綜合分析各層的剪切應(yīng)力分布情況，工程翻新輪胎各層所受剪切應(yīng)力大小關(guān)系為帶束層剪切應(yīng)力>胎體層剪切應(yīng)力>趾口膠層剪切應(yīng)力>緩沖層剪切應(yīng)力>胎側(cè)層剪切應(yīng)力>胎面層剪切應(yīng)力，其中帶束層剪切應(yīng)力與緩沖層剪切應(yīng)力相差較大，二者存在較大梯度，這與工程翻新輪胎在實(shí)際使用中脫層損壞形式常出現(xiàn)在帶束層與緩沖層結(jié)合部位相符。因此，翻新時(shí)要加強(qiáng)帶束層與緩沖層的界面結(jié)合強(qiáng)度。

對(duì)比不同胎壓、不同載荷下各層的最大應(yīng)力曲線如圖13所示，最大剪切應(yīng)力曲線如圖14所示。由圖13、14可知：當(dāng)胎壓一定時(shí)，工程翻新輪胎隨著垂直載荷的增大，各層最大應(yīng)力及剪切應(yīng)力均呈非線性變化規(guī)律增大；當(dāng)垂直載荷一定時(shí)，工程翻新輪胎隨著胎壓的增大，其最大應(yīng)力及剪切應(yīng)力均減小。因此，胎壓不足、載荷超荷均會(huì)對(duì)工程翻新輪胎內(nèi)部各層應(yīng)力及剪切應(yīng)力性能產(chǎn)生較大的影響。

圖11 各層剪切應(yīng)力云圖

圖12 各層剪切應(yīng)力沿輪胎寬度方向分布曲線

圖13 最大應(yīng)力對(duì)比曲線

圖14 最大剪切應(yīng)力對(duì)比曲線

5 結(jié)論

1) 工程翻新輪胎的帶束層所受應(yīng)力最大，胎體層次之，帶束層與胎體層應(yīng)力分布規(guī)律相近，胎面層和緩沖層所受應(yīng)力相對(duì)較小。這表明，工程翻新輪胎胎體層和帶束層是其主要承力部件，建議在進(jìn)行翻新前，嚴(yán)格檢測(cè)舊胎體中帶束層鋼絲簾線的質(zhì)量。

2) 工程翻新輪胎帶束層所受剪切應(yīng)力最大，其次為胎體層，緩沖層的剪切應(yīng)力較胎面層稍大，而緩沖層剪切應(yīng)力與帶束層剪切應(yīng)力相差較大，二者存在較大梯度。建議翻新前加強(qiáng)胎體層及帶束層的質(zhì)量檢測(cè)，翻新時(shí)要增強(qiáng)帶束層與緩沖層的黏合強(qiáng)度。

3) 工程翻新輪胎各層應(yīng)力及剪切應(yīng)力分布規(guī)律可為翻新輪胎翻新工藝、失效損壞機(jī)理及使用壽命提高提供重要的理論參考。