基于有限元方法的轮胎磨损特性研究

叶树斌，臧孟炎

(华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640)

基于有限元方法的轮胎磨损特性研究

叶树斌，臧孟炎

(华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640)

在基于有限元法的轮胎磨损性能评价方法的基础上，建立了205/55/R16型子午线轮胎2种胎面结构的有限元模型。使用ABAQUS软件的显式分析方法获得轮胎接地区域节点在汽车行驶过程9种工况下的法向反力和滑移速度，通过摩擦能量损失和磨损量之间的关系，求得轮胎在组合工况下行驶特定里程的磨损量。光面轮胎的磨损量明显小于花纹轮胎磨损量的仿真分析结果，说明了仿真分析方法的有效性。同时，通过对ABAQUS软件的二次开发，实现了轮胎接地区域摩擦能量损失率分布的实时描述。

子午线轮胎；磨损特性；有限元方法；ABAQUS；二次开发

轮胎磨损是轮胎与路面等表面发生相对运动时，由于机械作用与化学反应等引起其表层材料不断损耗的现象。轮胎磨损性能直接关系到轮胎的使用性能与使用寿命，并且影响车辆行驶的经济性、舒适性、操纵稳定性等。因此，研究分析轮胎的磨损具有重要的理论与指导意义。

轮胎磨损现象非常复杂，受驾驶员操作习惯、操纵条件、汽车行驶环境、轮胎结构和橡胶材料性能等各种因素影响，磨损机理至今还没有完全探明，对磨损进行准确预测更是难以实现[1-2]。目前，轮胎的磨损试验，包括室内试验与室外试验，所需要花费的时间与成本都非常巨大，严重制约着轮胎的设计效率和可靠性[3]。

本文在基于有限元法的轮胎磨损性能评价方法[4-5]的基础上，建立了205/55/R16型子午线轮胎2种胎面结构、对应汽车行驶过程9种工况、可预测轮胎均匀磨损性能的有限元模型[6-7]。使用ABAQUS软件的显式分析方法获得轮胎接地区域节点法向反力[8]和滑移速度之后，通过摩擦能量损失和磨损量之间的关系，求得轮胎在组合工况下行驶特定里程的磨损量。

1 轮胎磨损量的计算方法

汽车轮胎磨损试验是一个漫长的过程，利用有限元法对整个过程进行仿真分析既无法实现，也不具有实际的工程意义。本文使用韩国釜山大学Cho J.R.等提出的、基于有限元法的轮胎均匀磨损量评价方法[4]，将汽车行驶过程简化为9种工况,即左转加速、左转巡航、左转制动、直线加速、直线巡航、直线制动、右转加速、右转巡航、右转制动。每种行驶工况可以得到一组载荷条件，用有限元法分别仿真计算各种工况下轮胎滚动一圈的磨损量，然后将各种工况在汽车特定行驶里程中(本文定义为80 000km)发生的频率作为权重因子，计算轮胎总磨损量。

(1)

式中：μi是轮胎接地区域内节点的摩擦系数。

(2)

(3)

(4)

汽车行驶80 000km单个轮胎的磨损量Wtot和平均磨损深度H由式(5)和式(6)求得：

(5)

(6)

2 轮胎磨损模型建立

使用上述计算方法，以两种胎面结构的205/55/R16型子午线轮胎，即图1所示的左右非对称变节距花纹[9]和光面轮胎为研究对象，仿真分析它们磨损量的大小。

图1 胎面花纹的几何模型

光面轮胎在结构上具有轴对称特点，因此模型中胎面与轮胎主体可通过共节点实现网格的划分。但是图1所示的胎面花纹比较复杂，胎面与胎体共节点难以实现对轮胎全部网格的划分，因此本文分别对花纹与胎体进行网格划分，将两者组装后在胎面花纹和轮胎主体的结合面添加固结约束，获得花纹轮胎的有限元网格，如图2所示。

图2 花纹轮胎的有限元网格

在完成网格划分之后，需要分别定义材料、截面属性、接触和载荷条件等。使用rebar加强型单元嵌入橡胶基体单元的方法模拟钢丝帘线层对轮胎橡胶的增强作用[10]，钢丝帘线使用线弹性材料，橡胶材料使用Yeoh本构关系模型[11]，泊松比定为0.495。

轮胎磨损室外试验中，要描述车辆行驶历程特征，需测量车辆质心处的4个信号，即质心处纵向加速度、横向加速度、法向加速度及车辆前进方向速度。在实际应用中，通常由一个三维加速度计、一个非接触式雷达速度传感器和一台数据采集器来完成。在车辆行驶速度和路径固定的情况下，车辆加速度也就与驾驶者、车辆种类等无关，此时轮胎磨损只与行驶距离有关。因此，将上述路试所测的数据，编写成驾驶文件后，输入到多体动力学软件ADAMS中进行仿真分析，即可输出各种工况下轮胎的垂直载荷FV、侧向力FH、力矩TW以及外倾角θC等载荷参数。

由于缺乏实车的路试试验参数，本文直接采用文献[12]“还原分析法”得到的各工况轮胎载荷，以这4个载荷参数描述行驶过程中左前轮的各种工况，见表1。

表1 9种工况加载数据

轮胎磨损有限元分析全过程分为3步：准备阶段(轮辋安装、轮胎充气和自重加载)；轮胎加速至额定的速度(本文为60km/h)；添加表1中相应的工况载荷，轮胎在稳定状态下滚动一圈。

由表1可知，直线巡航工况的权重因子最大，这表明室外磨损试验中，测试车辆保持直线匀速行驶工况所占的比例最多，而直线加速、直线制动、左转巡航和右转巡航工况所发生的概率差不多，剩余其他工况的权重因子均很小，这符合汽车道路行驶的一般规律。另外值得注意的是，这里的“直线巡航工况”是在工况简化的过程中对加速度绝对值小于或等于0.06g的区域的一个统称，并不是通常意义上的“匀速行驶”，故在表1中，简化后的直线巡航工况才会出现侧向力不为0的情形。

3 轮胎磨损量计算结果及评价

利用轮胎在稳定状态滚动一圈所求得的各工况摩擦能量损失率，根据式(2)至式(6)可求出2款轮胎综合9种工况的一圈磨损量、行驶80 000km的总磨损量和磨损深度，计算结果见表2。

表2 磨损量与平均磨损深度

由表2可知，轮胎磨损深度偏大，主要原因在于轮胎模型与各工况载荷的不匹配。但是，光面轮胎的磨损量明显小于花纹轮胎磨损量说明了轮胎磨损模型的构建和仿真分析方法的有效性。要获得更为准确的磨损量仿真分析结果，有待今后进一步做好前期研究工作，获得与轮胎模型对应的载荷工况。

4 轮胎接地区域磨损均匀性描述

轮胎磨损的均匀性是汽车企业和轮胎企业非常关注的指标。因此，本文通过对ABAQUS软件的二次开发，实现了轮胎接地区域摩擦能量损失率分布的描述，以帮助相关设计和研究人员实现对轮胎磨损均匀性的仿真评价。

首先，使用ABAQUS脚本接口功能，用Python语言编写相关程序指令[13]，从ABAQUS软件的轮胎磨损有限元分析输出数据库文件(即odb文件)中提取接地区域内的节点接触法向反力和节点滑移速度等数据，由式(1)得到接地区域各节点摩擦能量损失率。

然后，定义摩擦能量损失率变量并将相应的计算结果写入输出数据库文件中，获得各种工况下的接地区域摩擦能量损失率分布云图。图3是光面轮胎与花纹轮胎在左转加速工况下的摩擦能量损失率分布云图。

图3 左转加速工况接地区域摩擦能量损失率分布云图

5 结束语

本文使用基于有限元的轮胎均匀磨损量计算方法，以205/55/R16型子午线轮胎为研究对象，仿真研究了2种胎面结构轮胎在组合工况下80 000km的磨损状况。尽管轮胎各工况载荷条件和权重因子直接采用参考文献的数据，但是光面轮胎的磨损量明显小于花纹轮胎的仿真计算结果，说明了轮胎磨损仿真分析方法的有效性。同时，通过二次开发，实现了轮胎接地区域摩擦能量损失率分布的实时描述。

接下来将通过实施道路磨损试验或室内磨损试验，获得磨损仿真分析用轮胎的实际载荷参数，进行更精确的磨损仿真分析，以服务于轮胎磨损性能的评价和优化设计。

[1] 黄海波,靳晓雄,丁玉兰. 轮胎偏磨损机理及数值解析方法研究[J]. 同济大学学报: 自然科学版, 2006, 34(2): 234-238.

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[3] 庄继德.汽车轮胎学[M].北京：北京理工大学出版社，1997.

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[13] 曹金凤，王旭春，孔亮. Python语言在ABAQUS中的应用 [M]. 北京：机械工业出版社，2011.

ResearchonTireWearPropertiesBasedonFEM

YE Shubin, Zang Mengyan

(South China University of Technology, Guangdong Guangzhou, 510640, China)

It introduces the method of tire wear performance assessment on the basis of FEM, uses finite element models of 205/55/R16 radial tire with three tread patterns to rolling simulation under nine loading conditions. Based on ABAQUS it obtains the nodal contact force and the nodal slip rate between the tread and ground, figures out the tread wear amount of the tire after traveling 80000 kilometers via taking advantage of the relationship between frictional energy dissipation and wear amount. The wear amount of the slick tire is less than that of the patterned tire. Finally it shows the secondary development technology for the post-processing technique of the ABAQUS and contour plots of the frictional energy dissipation rate.

Radial Tire; Wear Performance; FEM; ABAQUS; Secondary Development

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.07.002

2014-06-05

国际科技合作资助项目(2013DFG60080)

叶树斌(1990—)，男，广东云浮人，华南理工大学硕士研究生，主要从事汽车CAE方向的研究。

U463.341

A

2095-509X(2014)07-0006-04