辐板式全塑轮胎浇口设计与联合仿真分析

高晓东，杨卫民，张金云，安 瑛，谭 晶*

（1.北京化工大学 机电工程学院，北京 100029；2.轮胎设计与制造工艺国家工程实验室，北京 100029）

随着现代汽车和航空工业的迅猛发展，对轮胎性能的要求也不断提高。传统轮胎主要采用橡胶材料。然而，传统充气轮胎由于其本身的特点，不可避免地存在一些问题，如扎刺爆胎[1]、制造成型工艺复杂、在军事领域无法抵抗轻型武器的打击等[2]；同时传统轮胎的各功能相互牵制和矛盾，不能实现多目标优化[3]。因此，随着科学技术的进步，全塑轮胎应运而生[4-5]。塑料轮胎具有密度小、强度高和安全性高等优势，但目前塑料轮胎多采用聚氨酯材料浇注成型[6-11]，为化学反应成型，受材料类型限制较大，成型也较难控制。

本工作采用注塑成型工艺，以辐板式轮胎为研究对象，研究全塑轮胎成型过程中浇口位置和数量对熔料流动状态、充模情况和制品精度等的影响；同时采用联合仿真技术，构建复合材料体系，对4种方案成型后的全塑轮胎进行力学分析，提高了仿真模拟的实际预判性和准确性，为注塑成型设计提供了重要的参考信息。最后，结合模流分析及产品性能分析得到最优方案。

1 轮胎注塑成型分析

1.1 分析前处理

通过Pro-E软件建立全塑轮胎三维模型，如图1所示，保存为stl格式后导入Moldflow软件，得到注塑轮胎模型。选用Fusion格式，得到网格模型。对原始网格进行优化，网格最大纵横比为9.9，平均纵横比为2.45，单元匹配率为86.5%，各项指标均满足模拟分析要求。

图1 全塑非充气轮胎

全塑轮胎采用EMS-Grivory公司的Grilamid TR90材料，其熔点为151 ℃，熔体平均质量流动速率（275 ℃/5 MPa）为2 g·min-1。

成型工艺直接影响制品的成型质量，根据材料属性，设置工艺参数：模具表面温度 70 ℃，熔体温度 270 ℃，注射压力 120 MPa，最大锁模力 7 000 t，其余采用Moldflow系统默认值。

1.2 方案设计

应用Moldflow中浇口位置命令，分析出最佳浇口位置区域，对浇注系统设计具有很好的参考价值。通过分析，确定最佳浇口位置靠近节点N194091，如图2所示，位于轮毂内圈中间位置。

图2 全塑轮胎最佳浇口位置

分析得到的最佳浇口位置可以作为浇口位置选择的重要参考信息，不一定就是模具设计的实际浇口位置，因为浇口选择还与熔体流动特性、制件外观质量和实际生产要求等有关。

本研究主要优化浇口位置和数量，设计4个方案，如图3所示。方案1和2为内侧浇口，浇口数量分别为2和4；方案3和4为外侧浇口，浇口数量分别为2和4。

图3 浇注系统设计方案

1.3 模拟结果分析

1.3.1 填充分析

填充时间显示熔体充模完成的情况，良好的填充过程为熔体前沿以相同时间到达型腔的各个末端。同时，填充时间决定了生产效率。各方案充填时间模拟分析结果如图4所示。

从图4可以看出，4种方案轮胎的外部花纹为最后的填充部位，方案1—4的填充时间依次为17.10，17.17，19.49和21.95 s。方案2的填充时间最短，效率最高；方案4用时最长。内侧浇口设计方案1和2比外侧浇口的方案3和4用时更少，因为内侧浇口首先将内轮毂填充，物料再平行进入轮辐，压力损失较小；而外侧浇口在填充轮毂的同时，物料流动方向发生变化，也流入了轮辐部位，其尺寸较小，压力损失较大，流动变缓。

图4 填充时间模拟结果

1.3.2 温度分析

流动前沿温度反映了制品温度分布的合理性。流动前沿温差越小，制品成型质量越好。各方案流动前沿温度的模拟分析结果如图5所示。

从图5可以看出，4种方案流动前沿温度最低发生在外轮辋与轮辐的接触位置；其中，方案1和2最高与最低前沿温差较小，分别为8.6和8.7 ℃；方案4最高与最低前沿温差最大，为23.2 ℃，温差大影响轮胎的整体性能。方案2的温度分布较为均匀，利于冷却，不易出现收缩或者翘曲缺陷。

图5 流动前沿温度模拟结果

1.3.3 翘曲变形分析

成型过程中由于应力和收缩不均匀等因素的影响产生翘曲变形，变形过大会影响制品的质量和使用性能，因此，应尽量减小成型翘曲变形。各方案的翘曲变形模拟分析结果如图6所示。

图6 翘曲变形模拟结果

从图6可以看出，4种方案轮胎的较大翘曲变形都发生在内轮毂的外圈边缘和花纹部位，主要原因为收缩不均。方案1—4的最大翘曲变形依次为1.670，1.663，1.705和1.680 mm。方案2的最大翘曲变形最小，方案3最大。外侧浇口设计方案的变形较大。

2 成型轮胎性能分析

运用Moldflow进行注塑成型仿真过程中，由于软件限制，只能运用单一材料或者已有材料属性，而实际注塑轮胎采用复合材料。同时，运用Abaqus等有限元软件对轮胎产品进行有限元分析时，一般都采用单一材料参数或者通过试验得到材料参数，过程较为复杂，且假设材料为均匀分布，模拟不准确。为进一步提高模拟精度，利用联合仿真思想，运用Digimat软件，构建复合材料体系应用到全塑轮胎；同时将Moldflow与Abaqus耦合相接，将Moldflow模流分析后的轮胎成型结果信息导入到Abaqus中，对不同成型方案的轮胎进行力学分析，实现复合材料-成型工艺-产品性能的综合性仿真，大大提高仿真的准确性。

2.1 分析前处理

应用Moldflow对4种方案进行分析后，分别导出模流分析结果文件，成型分析以此为基础。

应用Digimat软件中的MF功能，构建材料模型；采用复合材料，选用TR90与尼龙12（PA12）按1∶1质量比混合原材料后加入10%的玻璃纤维。通过运算得到复合材料性能的结果文件，即为注塑轮胎的实际应用材料。

应用Digimat软件中的MAP功能，将Moldflow生成的模流分析映射到Abaqus结构分析中，实现不同网格数据信息的交互。

应用Digimat软件中的CAE功能连接各软件，通过非线性多维模拟准确仿真注塑轮胎的性能。轮胎力学模型如图7所示。

图7 轮胎模拟分析模型

模拟分析设置地面为刚性，约束6个自由度；轮胎约束5个自由度，仅保留垂直于地面方向的移动。轮胎施加竖直向下的标准载荷6 000 N。

2.2 模拟结果分析

将4种方案的注塑成型结果及材料模型导入到Abaqus中进行运算，得到4种方案的轮胎应力分布，如图8所示。

从图8可以看出，4种方案靠近地面的轮辐应力较大，并发生较大变形，轮辐应力以中间为对称轴呈对称分布，并且边缘位置应力明显较高，最大应力发生在边缘的中间部位。

图8 4种方案的轮胎应力云图

由于4种方案的注塑浇口位置和数量及材料的流动方式不同，且纤维分布有差异，因此各方案的最大应力也不同，如图8所示，浇口在同一位置区域，不同浇口数量最大应力不同；浇口在不同位置区域，相同浇口数量最大应力也不同。4种方案的最大应力分别为16.16，16.56，16.53和16.35 MPa，其中，方案1的应力最小，方案2的应力最大。根据以上分析，轮胎在行驶过程中，周期性的应力变化会使轮辐的边缘部位发生疲劳破坏，可对全塑轮胎轮辐边缘部位进行优化设计，提高轮胎寿命。

轮胎承载时的下沉量是表征轮胎性能的重要参数，其影响轮胎的稳定性和对路面环境的适应能力。根据轮胎使用条件，轮胎下沉量应在合适范围内，较小下沉量造成车辆重心过高，影响汽车行驶稳定性；较大下沉量则对路面条件要求过高，车辆不能在相对崎岖的路面上行驶。方案1—4轮胎的下沉量分别为5.21，5.29，5.27和5.31 mm。

由此可见，不同方案轮胎的下沉量不同。方案4的轮胎下沉量最大，为5.31 mm；方案1下沉量最小，为5.21 mm；4个浇口的注塑轮胎比2个浇口的轮胎具有更大的下沉量。

3 结论

以全塑轮胎为分析对象，改变浇口位置和数量，采用Moldflow软件对不同浇注系统方案进行分析比较，并利用联合仿真思想，采用复合材料体系对4种方案成型后的轮胎进行力学分析，得到如下结论。

（1）通过模流成型分析可知，内侧四浇口方案在位置和数量的选择与其它方案相比更为合理，其填充时间短，流动前沿温度较为接近，翘曲变形小，为最优设计。

（2）通过联合仿真分析可知，轮胎使用时，内侧四浇口方案成型的轮胎所受应力最大，但与其他方案相差不大，在可接受范围内，同时该方案成型的轮胎具有较大的轮胎下沉量。因此，初步选内侧四浇口方案为注塑轮胎的浇口设计方案。

本分析方法提高了仿真模拟的准确性，得到了较优的浇口设计方案。同时，也对全塑轮胎注射成型后续研究提供了重要的参考数据。