带复杂胎面花纹的子午线轮胎有限元分析

冯琳阁，朱作勇，冯希金，周 进，王亦菲，朱新静

（赛轮金宇集团股份有限公司，山东 青岛 266555）

轮胎是汽车的重要部件之一，它直接与路面接触，起支撑作用，保证车轮与路面有良好的附着性，提高汽车的牵引性、制动性和通过性。由于橡胶轮胎复杂的材料非线性、结构非线性和接触非线性，大大增加了有限元分析的难度，因此传统轮胎有限元分析往往忽略胎面花纹或只考虑周向花纹沟槽。然而，胎面花纹是轮胎的重要组成部分，对轮胎的行驶性能和使用寿命有直接的影响[1]。不考虑胎面花纹的分析结果与实际情况会有一定的差别，并且花纹的相关性能得不到体现，只有计及复杂胎面花纹的轮胎结构有限元分析才能给出更为准确可靠的结果。

本工作基于Abaqus有限元分析软件，采用组合模型技术，对带有复杂胎面花纹的205/55R16半钢子午线轮胎模型进行有限元分析[2]，并与实际轮胎的试验测试结果进行验证对比，同时与光面轮胎模型计算结果对比，以考察复杂花纹对轮胎结构受力变形的影响，为胎面花纹优化和轮胎性能评价提供依据。

1 有限元分析模型

1.1 胎面花纹部分建模

胎面花纹部分通过CATIA软件进行三维花纹块建模，如图1所示。

图1 花纹块的实体模型

将花纹块模型导入到Abaqus CAE软件中对其进行网格划分，如图2所示。

图2 花纹块的网格模型

花纹块网格模型共有2 011个单元、3 907个节点。最后将胎面花纹导入到Abaqus软件中，进行网格划分和材料属性定义。

1.2 包含复杂胎面花纹的轮胎模型

将轮胎模型分为两部分，一部分是胎面花纹，另一部分是轮胎主体。轮胎主体部分建立轴对称模型，将骨架材料以rebar的形式嵌入橡胶单元，施加边界条件，生成二维轴对称充气模型。对于胎面花纹部分，构建一个节距的花纹三维模型，并划分网格，定义胎面单元集合、胎面上下表面集合，定义胎面材料并赋予材料属性。将胎面花纹部分与轮胎主体部分通过*Tie命令绑定在一起，其中轮胎主体部分使用*Symmetric Model Generation命令旋转一个花纹节距的角度，本研究中周向角度为5.454 545°，最后形成一个节距的轮胎整体扇形模型，如图3所示。

图3 一个节距的轮胎整体扇形模型

最后，再次使用*Symmetric Model Generation命令，将扇形体周期性镜像66份，得到整个轮胎模型，如图4所示。

图4 轮胎整体花纹模型

2 计算结果与模型验证

为验证模型的正确性，进行两方面的验证。

（1）在充气压力180 kPa下，轮胎的断面宽和外直径有限元计算与试验结果对比如表1所示。

从表1可以看出，复杂花纹轮胎有限元仿真结果与试验数据一致性非常好，断面宽的偏差率为0.5%，外直径的偏差率为0.09%，说明有限元模型是正确的。

表1 充气断面宽和外直径有限元计算与试验结果对比

（2）在充气压力300 kPa，负荷率（标准负荷615 kg）分别为60%，80%，100%和120%下的接地数据对比如表2所示，接地印痕如图5—7所示。

图5 不同负荷率下花纹轮胎试验接地印痕

图6 不同负荷率下光面轮胎有限元分析接地印痕

图7 不同负荷率下花纹轮胎有限元分析接地印痕

表2 接地数据仿真与试验结果对比

从表2可以看出，光面轮胎、花纹轮胎有限元计算的接地长短轴与试验长短轴吻合度较好。光面轮胎的有限元计算接地面积与花纹轮胎试验接地面积偏差较大，花纹轮胎的有限元接地面积与试验接地面积吻合度较好。因此，花纹轮胎的有限元模型有效性更好。

3 光面轮胎与花纹轮胎内部材料受力对比分析

3.1 带束层橡胶受力

对复杂胎面花纹205/55R16轮胎模型进行轮辋装配、充气、静负荷工况的模拟，与光面轮胎在同等工况下的模拟计算结果进行对比，分析胎面花纹对轮胎内部受力的影响，本研究对带束层橡胶受力进行了详细对比，以考察复杂花纹对带束层橡胶的影响。

静负荷（615 kg）下接地断面上从子午面中心到端部的1#带束层橡胶受力分布如图8和9所示。

图8 1#带束层橡胶所受剪应力S13对比

由图8和9可以看出，1#带束层橡胶所受剪应力S13（1，3表示方向）、应变能密度均在带束层端部出现最大值后急剧下降。花纹轮胎所受剪应力S13、应变能密度最大值小于光面轮胎。

图9 1#带束层橡胶所受应变能密度对比

静负荷（615 kg）下接地断面上从子午面中心到端部的2#带束层橡胶受力分布如图10和11所示。

图10 2#带束层橡胶所受剪应力S13对比

图11 2#带束层橡胶所受应变能密度对比

由图10和11可以看出，2#带束层橡胶所受剪应力S13、应变能密度均在带束层端部出现最大值。花纹轮胎所受剪应力S13、应变能密度最大值大于光面轮胎，该BH15花纹的存在使2#带束层橡胶受力有增大的趋势。

3.2 静负荷下接地压力

为研究花纹对接地压力的影响，对比光面轮胎与复杂花纹轮胎的接地印痕和接地压力分布，轮胎充气压力为300 kPa，所加载荷为615 kg，分析结果如图12所示。

由图12可以看出花纹对接地压力分布的影响，复杂花纹轮胎胎肩部位接地压力明显增大，且接地压力最大值及分布不均匀性有所增加。复杂花纹对接地印痕形状也有一定的影响，接地短轴相差不大，接地长轴明显增大。

图12 光面轮胎与复杂花纹轮胎的接地印痕和接地压力分布对比

4 结论

本研究分别建立了带有复杂胎面花纹的轮胎有限元模型、光面轮胎有限元模型，并与实际轮胎的外轮廓、接地印痕进行了对比。结果表明，光面轮胎模型在接地面积、印痕形状上相差较大，复杂花纹轮胎模型与实际结果吻合较好。

考察花纹对轮胎结构受力特征的影响，对花纹轮胎、光面轮胎带束层橡胶受力进行对比，结果表明胎面花纹对1#和2#带束层橡胶受力情况均有明显影响。

对于接地性能，复杂花纹的存在使轮胎的接地压力分布不均匀性和接地压力增大。因此，在对轮胎进行胎冠部位橡胶受力和接地性能分析时考虑带胎面花纹的有限元模型是有必要的。