芳綸纖維骨架輪胎的自由滾動(dòng)數(shù)值模擬分析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上芳綸纖維骨架輪胎的自由滾動(dòng)數(shù)值模擬分析譚晶1,2，吳瀟1,2，劉肖英1,2，張金云1,2，楊衛(wèi)民1,2，安瑛1,2*（1、北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 2、輪胎設(shè)計(jì)與制造工藝國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 ） 摘要：本文對(duì)芳綸纖維在汽車輪胎上的應(yīng)用進(jìn)行探索。利用數(shù)值模擬法研究了165/75R13和185/65R14兩種規(guī)格的常用汽車輪胎用芳綸纖維代替鋼絲帶束層和尼龍冠帶層后，在200km/h高速自由滾動(dòng)工況下，對(duì)輪胎力學(xué)性能的影響，并總結(jié)芳綸纖維的應(yīng)用對(duì)不同規(guī)格子午線輪胎相關(guān)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：用芳綸纖維代替鋼絲帶束層后在減輕輪胎總重的同時(shí)沒有降低其使用性能；芳綸冠帶層輪胎

2、在承載能力、耐久性和強(qiáng)度等性能方面與現(xiàn)有輪胎及芳綸帶束層輪胎相比都有顯著優(yōu)勢(shì)，且輪胎規(guī)格越大，芳綸纖維冠帶層對(duì)輪胎性能的改善效果越明顯。 關(guān)鍵詞：芳綸纖維，子午線輪胎，有限元分析，自由滾動(dòng) 骨架材料是保證輪胎強(qiáng)度、承受載荷以及保持輪胎尺寸穩(wěn)定性的關(guān)鍵性增強(qiáng)材料。隨著輪胎朝著子午化、高速化以及環(huán)?；l(fā)展1，對(duì)骨架材料的強(qiáng)度、剛度、耐疲勞等性能提出更高的要求。近年來(lái)，耐高溫、高強(qiáng)度、高模量、變形小的芳綸纖維廣泛應(yīng)用于航空輪胎，相關(guān)研究表明芳綸骨架可以降低輪胎重量，降低滾動(dòng)阻力，對(duì)輪胎的耐刺扎性、耐切割性能都有很大改善。歐美各輪胎公司已利用芳綸纖維代替鋼絲作為高性能輪胎的帶束層以及重載子午胎胎體以及

3、工程輪胎緩沖層，得到的制品質(zhì)量低，滾動(dòng)阻力小2。國(guó)內(nèi)廣州市華南橡膠輪胎有限公司和樺林佳通輪胎有限公司等將芳綸纖維用于高性能子午線乘用輪胎的骨架材料 3-4。實(shí)驗(yàn)樣胎的實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀地驗(yàn)證了用芳綸制造骨架材料相比傳統(tǒng)骨架材料具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但是受樣胎型號(hào)、實(shí)驗(yàn)數(shù)量以及人為偶然因素影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法系統(tǒng)地說明芳綸纖維的密度、強(qiáng)度以及簾線角度等參數(shù)對(duì)輪胎性能影響的特定規(guī)律。本文采用ABAQUS有限元分析軟件，研究在高速自由滾動(dòng)工況下，當(dāng)芳綸纖維用于165/75R13和185/65R13兩種不同規(guī)格的常用汽車輪胎帶束層和冠帶層骨架材料時(shí)，相對(duì)傳統(tǒng)的鋼絲束帶層輪胎在輪胎力學(xué)性能上的不同，為開發(fā)高性能的

4、新型芳綸骨架汽車輪胎提供準(zhǔn)確的理論基礎(chǔ)和方向性指導(dǎo)。1、 輪胎有限元模型的建立和驗(yàn)證1.1、模型建立 本研究擬采用芳綸纖維代替現(xiàn)有輪胎的帶束層、冠帶層骨架材料與傳統(tǒng)輪胎進(jìn)行對(duì)比分析，以設(shè)計(jì)出輕量化、高性能的新型輪胎。骨架材料一般包括胎體簾布層、帶束層、冠帶層、胎圈等，如圖1（a）所示。圖1（b）、（c）分別為165/75R13和185/65R13型輪胎的有限元模型。 （a）子午線輪胎骨架結(jié)構(gòu)示意圖； （b）165/75R13型 （c）185/65R14型圖1. 輪胎骨架結(jié)構(gòu)示圖及有限元模型建立A、B、C三種不同骨架材料的輪胎模型，綜合考慮性能和經(jīng)濟(jì)性，三種輪胎模型中使用的骨架材料對(duì)比如表1示。

5、三種輪胎的三維有限元模型結(jié)構(gòu)、載荷、邊界條件等完全相同，研究B、C兩種使用芳綸作為骨架材料的輪胎相對(duì)于A型使用傳統(tǒng)骨架材料的輪胎在力學(xué)性能上的優(yōu)越之處。表1. 三種輪胎模型的骨架材料差異類型骨架材料A聚酯胎體、鋼絲帶束層、尼龍冠帶層B聚酯胎體、芳綸纖維帶束層、尼龍冠帶層C聚酯胎體、鋼絲帶束層、芳綸纖維冠帶層本文中芳綸纖維采用平頂山河南神馬實(shí)業(yè)股份有限公司開發(fā)的1670dtex/2+1400dtex/l -88EPD型號(hào)芳綸-尼龍混紡簾線，該簾線在經(jīng)向密度、簾線直徑、斷裂強(qiáng)度等參數(shù)指標(biāo)上均優(yōu)于傳統(tǒng)輪胎的鋼絲簾線。汽車輪胎一般處于靜止與勻速前進(jìn)的狀態(tài)，本文利用靜載來(lái)驗(yàn)證模擬的可行性驗(yàn)證，進(jìn)而對(duì)輪胎

6、在自由滾動(dòng)下的力學(xué)性能進(jìn)行分析。對(duì)輪胎的靜載工況進(jìn)行模擬前需要對(duì)輪胎模型進(jìn)行充氣，充氣壓力為0.25MPa，徑向載荷為4500N。自由滾動(dòng)狀態(tài)即輪胎處于純滾動(dòng)，沒有滑動(dòng)狀態(tài)。模擬輪胎處于自由滾動(dòng)工況時(shí)，在靜載工況的基礎(chǔ)上對(duì)輪胎和輪輞施加自由滾動(dòng)速度以及相應(yīng)自由滾動(dòng)角速度。設(shè)定的水平速度為200kM/h，自由滾動(dòng)角速度為199.9/s。1.2、模擬驗(yàn)證為了確保所用模型及模擬分析方法的正確性，在靜載狀態(tài)下對(duì)165/75R13與185/65R14兩種型號(hào)的普通汽車子午線輪胎進(jìn)行了靜負(fù)荷的模擬及實(shí)驗(yàn)。在檢測(cè)壓力250kPa，靜負(fù)荷值4.5kN的情形下，對(duì)二者進(jìn)行比對(duì)。表2和表3所示分別為165/75R

7、13和185/65R14的剛度特性數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。由表可知，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差很小，滿足工程要求，因此可用該模型和分析方法來(lái)進(jìn)行輪胎力學(xué)性能的研究。表2. 165/75R13剛度特性數(shù)值對(duì)比模擬值（N/mm）試驗(yàn)值（N/mm）差值（N/mm）誤差（%）徑向剛度192.45758193.37580.918220.橫向剛度92.0112892.433230.421950.縱向剛度177.95982178.376740.416920.23373表3. 185/65R14剛度特性數(shù)值對(duì)比模擬值（N/mm）試驗(yàn)值（N/mm）差值（N/mm）誤差（%）徑向剛度224.80210.4914

8、.316.798橫向剛度108.13108.270.140.129縱向剛度183.15192.078.924.6442、模擬結(jié)果與分析輪胎高速滾動(dòng)時(shí),輪胎帶束層和冠帶層作為承受載荷和保持輪胎外形的主要支撐部件5，承受著高頻率的周期性變化載荷，其承載能力、耐久性、強(qiáng)度等力學(xué)性能是輪胎高速行駛安全性的重要保障。帶束層對(duì)于子午線輪胎來(lái)說，是箍緊胎體的主要部件，也起一定的緩和沖擊的作用，當(dāng)冠帶層承載了本來(lái)帶束層承載的一部分應(yīng)力時(shí)，其等效應(yīng)力和端點(diǎn)、中點(diǎn)周向應(yīng)力升高，降低了帶束層等效應(yīng)力和端點(diǎn)、中點(diǎn)周向應(yīng)力，因此可以提高輪胎耐疲勞性能和承載性能，也能提高輪胎整體強(qiáng)度，減少變形。耐久性試驗(yàn)中的破壞形式通常

9、是帶束層端點(diǎn)脫層、胎體反包端點(diǎn)脫層及胎肩脫層, 因此帶束層端點(diǎn)的受力分布是評(píng)價(jià)輪胎耐久性的重要指標(biāo)。而骨架材料中點(diǎn)應(yīng)力沿周向變化規(guī)律能反映帶束層整體的應(yīng)力分布，因此可選取帶束層端點(diǎn)周向等效應(yīng)力和帶束層中點(diǎn)周向等效應(yīng)力作為分析參數(shù)對(duì)輪胎的耐久性進(jìn)行分析。本文通過分析輪胎的帶束層、冠帶層軸向等效應(yīng)力以及周向等效應(yīng)力來(lái)討論高速自由滾動(dòng)工況下輪胎帶束層和冠帶層的力學(xué)性能。2.1、軸向等效應(yīng)力 圖2（a）、（b）所示為165/75R13、185/65R14兩種規(guī)格的輪胎沿滾動(dòng)軸線方向的帶束層的等效應(yīng)力曲線。165/75R13型輪胎中B型輪胎的等效應(yīng)力最大值和A型非常接近，其余節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力明顯小于A型輪

10、胎；而C型的等效應(yīng)力最大值僅為A型的1/3；其余各節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于A型以及B型輪胎。對(duì)于185/65R14型輪胎，B型的等效應(yīng)力大于A型輪胎，C型輪胎的大部分對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于A及B型輪胎。(a)165/75R13型輪胎 （b）185/65R14型輪胎圖2. 輪胎帶束層軸向等效應(yīng)力圖3（a）、（b）所示為165/75R13、185/65R14兩種規(guī)格輪胎沿滾動(dòng)軸線方向的冠帶層等效應(yīng)力。A、B兩種輪胎的等效應(yīng)力值相差很少；C型輪胎各節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力均明顯大于A型輪胎。（a）165/75R13型輪胎 （b）185/65R14型輪胎圖3. 輪胎冠帶層軸向等效應(yīng)力由圖可知，芳綸纖維用于輪胎

11、帶束層對(duì)冠帶層軸向等效應(yīng)力的影響并不明顯；芳綸纖維用于冠帶層時(shí)，輪胎帶束層等效應(yīng)力大大降低，而冠帶層等效應(yīng)力上升明顯，這表明用芳綸纖維替代尼龍冠帶層后，輪胎承載能力大大優(yōu)于傳統(tǒng)輪胎，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)輪胎和芳綸纖維帶束層輪胎的冠帶層并不用于承載，而芳綸纖維冠帶層輪胎是冠帶層和帶束層同時(shí)作為主承載元件，因而輪胎的承載能力大大提高。從圖2、圖3可知，輪胎規(guī)格越大等效應(yīng)力改變幅度越大。2.2、帶束層周向等效應(yīng)力圖4（a）、（b）所示分別為165/75R13、185/65R14兩種規(guī)格輪胎帶束層中點(diǎn)的周向等效應(yīng)力。帶束層在滾動(dòng)工況下受拉應(yīng)力，三種輪胎應(yīng)力沿軸向分布方式相似。l65/75R13型輪胎中A型的帶

12、束層等效應(yīng)力最大，B型其次，C型最小。185/65R14型輪胎中則是B型的帶束層等效應(yīng)力最大，其次是A型，C型最小。由圖可知，傳統(tǒng)輪胎和芳綸纖維帶束層輪胎的帶束層中點(diǎn)周向等效應(yīng)力分布規(guī)律和傳統(tǒng)輪胎相同，但數(shù)值明顯小于傳統(tǒng)輪胎，輪胎耐久性有所提高。這是因?yàn)榉季]纖維冠帶層輪胎徑向變形明顯小于傳統(tǒng)輪胎，承載部件受拉伸程度降低使得受力減小。 (a)165/75R13型輪胎 (b)185/65R14型輪胎圖4. 輪胎帶束層中點(diǎn)周向等效應(yīng)力圖5（a）、(b)所示為165/75R13, 185/65R14兩種規(guī)格輪胎的帶束層端點(diǎn)周向等效應(yīng)力。兩種規(guī)格輪胎在非接地區(qū)域的周向等效應(yīng)力相對(duì)于接地區(qū)域明顯較小，滾動(dòng)

13、前、后方分別出現(xiàn)了應(yīng)力峰值。165/75R13規(guī)格的B型輪胎的兩峰值應(yīng)力比A型輪胎略小，而其余節(jié)點(diǎn)應(yīng)力很接近，C型輪胎在接地區(qū)域的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力遠(yuǎn)大于 A、B型；185/65R14規(guī)格的A、B型輪胎的等效應(yīng)力曲線基本重合，C型輪胎的應(yīng)力明顯大于A、B型。但用于加固帶束層鋼絲切頭部位的冠帶層芳綸簾線的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)高于尼龍，最大應(yīng)力沒有超過其50MPa的應(yīng)力值安全范圍。(a)165/75R13型輪胎 (b)185/65R14型輪胎圖5. 輪胎帶束層端點(diǎn)周向等效應(yīng)力2.3、冠帶層周向等效應(yīng)力圖6（a）、（b）所示為兩種規(guī)格輪胎的冠帶層中點(diǎn)周向等效應(yīng)力。165/75R13型輪胎中A、B、C型的接地區(qū)域應(yīng)力值大

14、致相同，非接地區(qū)域C型應(yīng)力是A、B型的數(shù)倍。185/65R14型輪胎中B型的應(yīng)力曲線基本與A型相同，C型輪胎各節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力均明顯大于A型輪胎，其應(yīng)力大約為A型輪胎的5倍。分析原因是普通輪胎冠帶層不是主要承載部件，而是以自身收縮力箍緊帶束層來(lái)減小帶束層外擴(kuò)變形6，從而增強(qiáng)輪胎的強(qiáng)度，而芳綸纖維冠帶層輪胎不同于一般輪胎，其冠帶層等效應(yīng)力遠(yuǎn)大于帶束層，即C型輪胎的冠帶層箍緊輪胎帶束層、提高輪胎整體性的同時(shí)還起到了部分承載作用。相比而言帶束層的材料對(duì)冠帶層中周向等效應(yīng)力的影響不大。(a) 165/75R13型輪胎 (b) 185/65R14型輪胎圖6. 輪胎冠帶層中點(diǎn)周向等效應(yīng)力圖7（a）、（b）所

15、示為165/75R13、185/65R14兩種規(guī)格輪胎的冠帶層端點(diǎn)周向等效應(yīng)力。兩種規(guī)格的三種不同骨架材料輪胎的應(yīng)力分布規(guī)律相同，B型輪胎應(yīng)力曲線基本與A型相同，C型輪胎的應(yīng)力明顯大于A型。相比A、B型，C型輪胎的下降、上升速度明顯更高。185/65R14規(guī)格的C型輪胎接地區(qū)域內(nèi)應(yīng)力上升速度略高于 A、B兩種輪胎，小于165/75R13型輪胎的C型輪胎，這表明隨著輪胎規(guī)格增大,芳綸纖維冠帶層輪胎骨架材料端點(diǎn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象得到緩解。冠帶層、帶束層的端點(diǎn)周向應(yīng)力關(guān)系與中點(diǎn)應(yīng)力相同。(a)165/75R13型輪胎 (b) 185/65R14型輪胎圖7. 輪胎冠帶層端點(diǎn)周向等效應(yīng)力3、結(jié)論高速自由滾動(dòng)

16、工況下,三種不同輪胎對(duì)應(yīng)部件的等效應(yīng)力分布規(guī)律相似。芳綸帶束層輪胎相對(duì)于傳統(tǒng)輪胎性能沒有太大改善，但輪胎總重明顯降低，在輕量化的同時(shí)滿足了現(xiàn)有輪胎的使用性能要求。芳綸冠帶層輪胎的帶束層等效應(yīng)力大大降低，強(qiáng)度較高的芳綸冠帶層承受了更多應(yīng)力，與帶束層同時(shí)作為主承載元件，因此相對(duì)于僅用帶束層承載的傳統(tǒng)輪胎具有更好的承載能力；輪胎帶束層中點(diǎn)周向應(yīng)力分布與傳統(tǒng)輪胎相同，數(shù)值遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)輪胎，輪胎耐久性得到了極大提高；輪胎冠帶層周向應(yīng)力提高，更好的起到箍緊帶束層，減小輪胎外擴(kuò)變形的作用，增強(qiáng)了輪胎強(qiáng)度。且隨著輪胎規(guī)格增大，優(yōu)越性更顯著。參考資料1丁劍平,俞淇,林惠音,姚鐘堯.子午線輪胎用纖維骨架材料的發(fā)展概

17、況J.橡膠工業(yè),2004,51(5):302-305.2高稱意.纖維骨架材料的現(xiàn)狀和新材料開發(fā)動(dòng)態(tài)J.橡膠工業(yè),2004,06:371-375.3劉曉彬,黎寧,魏靜勛,黎繼榮.綸材料在高性能輪胎中的應(yīng)用J.中國(guó)橡膠,2011,27(19):50-58.4周建全,姚秀紅,陳祖全,楊開玉.芳綸簾線在轎車子午線輪胎中的應(yīng)用J.輪胎工業(yè),2005,25(5):273-276.5管延錦，程鋼，趙國(guó)群，單國(guó)玲.輪胎結(jié)構(gòu)有限元分析應(yīng)用于子午線輪胎簾線受力特性的研究J.汽車技術(shù),2005,(3):8-10.6高稱意.子午線輪胎冠帶層用新材料J.輪胎工業(yè),2003,23(8):467- 471.Numerica

18、l Analysis of Aramid fiber tire under free rolling conditionTAN Jing, WU Xiao, LIU Xiao-ying, ZHANG Jin-yun, AN Ying*（College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, National Engineering Laboratory of Tire Design and Manufacturing Process, Beijing ）ABASTR

19、ACT: The paper explored aramid fiber using in the car tires. We study under 200km / h speed free rolling conditions, mechanics performance of 165 / 75R13 and 185 / 65R14, the two specifications of commonly used automobile tires with aramid fibers instead of steel belt layer and a nylon cap ply using numerical simulation method, and sum