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非充气轮胎的滚动越障振动仿真分析

橡胶工业 2024年第2期71卷 138-150页

作者：周海超王荣乾王国林李慧云江苏大学汽车与交通工程学院江苏镇江212013

采用仿真分析方法探究非充气轮胎的滚动越障振动特性。建立非充气轮胎的有限元模型,对辐条式原始非充气轮胎(简称原始轮胎)和轮辐仿生优化非充气轮胎(简称优化轮胎)的滚动越障振动进行仿真分析,研究滚动速度和障碍物高度对原始轮胎和优... 详细信息

采用仿真分析方法探究非充气轮胎的滚动越障振动特性。建立非充气轮胎的有限元模型,对辐条式原始非充气轮胎(简称原始轮胎)和轮辐仿生优化非充气轮胎(简称优化轮胎)的滚动越障振动进行仿真分析,研究滚动速度和障碍物高度对原始轮胎和优化轮胎的径向和纵向振动的影响,以及两种轮胎的振动特性与其滚动越障时接地压力峰值标准差之间的关系。结果表明:越障时滚动速度和障碍物高度的增大会加剧非充气轮胎的径向和纵向振动;与原始轮胎相比,优化轮胎的减振效果主要体现在滚动速度和障碍物高度变化时其振动特性较为平稳;接地压力峰值标准差能够在一定程度上表征非充气轮胎的振动强度。非充气轮胎的滚动越障振动仿真分析为其动态特性研究奠定了一定的理论基础,对提高车辆的稳定性具有重要的意义。

关键词：非充气轮胎滚动越障振动特性仿真分析

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非充气轮胎的结构设计与力学性能

橡胶工业 2021年第2期68卷 83-90页

作者：刘晨李凡珠卢咏来张立群北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室北京100029

阐述充气轮胎具有在粗糙路面滚动时能量损失低以及垂直刚度和接地压力较小、承载效率较高的优势以及不抗刺扎、易爆胎、运转不平稳的不足。介绍两款典型的非充气轮胎——辐条式非充气轮胎和蜂巢式非充气轮胎的结构和力学性能。与传统充... 详细信息

阐述充气轮胎具有在粗糙路面滚动时能量损失低以及垂直刚度和接地压力较小、承载效率较高的优势以及不抗刺扎、易爆胎、运转不平稳的不足。介绍两款典型的非充气轮胎——辐条式非充气轮胎和蜂巢式非充气轮胎的结构和力学性能。与传统充气轮胎相比,非充气轮胎不仅垂向刚度和接地压力解耦,垂向刚度、侧向刚度、扭转刚度也不再是强耦合关系,这极大地拓展了轮胎的设计空间,仅通过调整剪切带及轮辐的结构和几何参数就可以有效地优化轮胎的性能,但非充气轮胎也存在很多问题,使其仍处于设计研发阶段。今后非充气轮胎的市场需求将不断扩大,其结构和力学性能将不断改进,使非充气轮胎成为轮胎领域的一大品种。

关键词：非充气轮胎蜂巢式辐条式结构设计力学性能

非充气轮胎弹性支撑体的疲劳寿命仿真分析研究

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橡胶工业 2023年第12期70卷 985-993页

作者：韩雪顾博超刘晨叶欣卢咏来李凡珠北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室北京100029 北京化工大学材料科学与工程学院北京100029

非充气轮胎不存在爆胎风险,疲劳性能是其设计过程中重点关注的性能指标。本工作基于橡胶材料的疲劳裂纹扩展理论和临界平面分析法,运用Abaqus和Endurica软件联合仿真的有限元分析方法,进行了非充气轮胎弹性支撑体的疲劳寿命预测;系统分... 详细信息

非充气轮胎不存在爆胎风险,疲劳性能是其设计过程中重点关注的性能指标。本工作基于橡胶材料的疲劳裂纹扩展理论和临界平面分析法,运用Abaqus和Endurica软件联合仿真的有限元分析方法,进行了非充气轮胎弹性支撑体的疲劳寿命预测;系统分析了有限元网格类型及网格尺寸对非充气轮胎弹性支撑体的疲劳寿命的影响,从而为高性能、长寿命非充气轮胎的优化设计提供理论和技术支撑。

关键词：非充气轮胎弹性支撑体疲劳寿命有限元分析网格划分

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非充气轮胎中剪切带结构与材料的研究进展

橡胶工业 2023年第3期70卷 231-239页

作者：刘超吴晓辉卢咏来张立群北京化工大学材料科学与工程学院先进弹性体材料研究中心北京100029

非充气轮胎能够避免充气轮胎的爆胎风险,已成为橡胶/轮胎行业研究的热点产品。非充气轮胎由轮毂、辐条、剪切带和胎面组成,剪切带是非充气轮胎结构中的重要部件。剪切带可分为橡胶剪切带、聚氨酯剪切带和金属剪切带,剪切带结构与材料参... 详细信息

非充气轮胎能够避免充气轮胎的爆胎风险,已成为橡胶/轮胎行业研究的热点产品。非充气轮胎由轮毂、辐条、剪切带和胎面组成,剪切带是非充气轮胎结构中的重要部件。剪切带可分为橡胶剪切带、聚氨酯剪切带和金属剪切带,剪切带结构与材料参数对非充气轮胎的性能影响极大。剪切带的结构与材料技术进步为非充气轮胎的进一步发展提供了技术支撑。

关键词：非充气轮胎剪切带结构材料

非充气轮胎静态接地力学模型构建及其在结构优化中的应用

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非充气轮胎静态接地力学模型构建及其在结构优化中的应用

作者：陈坤江苏大学

学位级别：硕士

与传统的充气轮胎相比,非充气轮胎在多个方面具有显著优势,作为其主要部件,剪切带和轮辐的结构设计及优化更是研究重点,而通过力学模型则可以探究非充气轮胎变形的特性并指导其结构的设计。本文基于非充气轮胎的基本结构及其变形特点,... 详细信息

与传统的充气轮胎相比,非充气轮胎在多个方面具有显著优势,作为其主要部件,剪切带和轮辐的结构设计及优化更是研究重点,而通过力学模型则可以探究非充气轮胎变形的特性并指导其结构的设计。本文基于非充气轮胎的基本结构及其变形特点,将其剪切带简化为环形铁木辛柯梁,将轮辐简化为周向均匀分布的弹簧,基于虚功原理推导了非充气轮胎受力变形时的微分方程,从而,建立具有线性轮辐的非充气轮胎的力学模型,并采用有限元方法验证了模型的准确性;而后应用模型,探究了非充气轮胎与路面接触时部分结构参数对轮胎变形的影响。考虑到非充气轮胎轮辐刚度的非线性,修改并完善上述模型中对轮辐刚度的描述,构建具有非线性轮辐的非充气轮胎的力学模型,采用迭代补偿的方法对模型进行求解,并较为全面地验证了模型的准确性。考虑非线性轮辐刚度的模型包含更全面的结构参数和材料参数,可以更真实地模拟非充气轮胎的结构特性。基于本文所建立的力学模型,以205/55R16型子午线轮胎为对标轮胎,以非充气轮胎与平直路面静态接触的接地压力最大值为优化目标,建立了非充气轮胎结构优化数学模型。并基于Matlab全局优化工具箱中MultiStart优化方法,提出了“批量计算+优选起点进行优化”的方法,该方法可以减少优化计算时间而不损失计算准确性。利用优化得到的最优解分别进行非充气轮胎剪切带和轮辐的结构设计,可以显著降低结构设计的难度并减少后续性能优化的工作量。

关键词：非充气轮胎力学模型结构设计结构优化参数优化

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非充气轮胎的高速振动仿真分析

非充气轮胎的高速振动仿真分析

作者：梁政北京化工大学

学位级别：硕士

非充气轮胎是近年来出现的一种新型轮胎,与传统充气轮胎相比,其不会发生爆胎且具有改善车辆操控性、抓地力、舒适性的能力,滚动阻力也较小,具有很大的发展潜力。高速工况下的振动问题是非充气轮胎发展面临的主要问题之一。本文基于有限... 详细信息

非充气轮胎是近年来出现的一种新型轮胎,与传统充气轮胎相比,其不会发生爆胎且具有改善车辆操控性、抓地力、舒适性的能力,滚动阻力也较小,具有很大的发展潜力。高速工况下的振动问题是非充气轮胎发展面临的主要问题之一。本文基于有限元分析方法和信号分析理论,对非充气轮胎的高速振动特性进行研究,主要研究内容和成果如下:(1)建立了TWEEL非充气轮胎的动态有限元仿真模型和仿真流程,通过获取关键部件辐条的三个测点的振动信号和地面反作用力的振动信号,并利用FFT技术来分析其幅频特性。结果表明:TWEEL辐条的振动以中间节点为界上下具有对称性,中部振动最弱,离中间节点的距离越远,振动越强;其地面反作用力频谱形成一个低频泛音,解释了轮胎部分噪音的成因;对于包含载荷因素的四个辐条参数改进L8正交实验,平均值响应表和信噪比响应表均表明对于辐条振动的影响程度从大到小依次是辐条曲率,辐条长度,Inner-De Rad,Outer-De Rad。(2)建立了与TWEEL非充气轮胎相同外缘尺寸、相同轮毂尺寸和垂向刚度值接近的UPTIS非充气轮胎模型,对两种轮胎的高速振动特性进行了比较。结果表明:对于辐条三个测点的振动频谱,高速滚动时UPTIS几乎不会产生高频率的振动,而TWEEL的高频振动明显,振幅峰值较高;对于地面反作用力振动频谱,UPTIS只有一个特征频率,而TWEEL有多个特征频率,表明TWEEL与UPTIS相比在高速滚动过程中更易发生振动;不同载荷下两种轮胎辐条振动频谱的比较看出,从低速到高速变化过程中UPTIS的振动幅值始终维持在一个较低水平,而TWEEL振动的特征频率和幅值对载荷的变化非常敏感,转速增大会使得振幅峰值增大,特征频率向高频移动,路面上压载荷的增加会增大振幅峰值,但不会影响特征频率;不同载荷下两种轮胎地面反作用力振动频谱的比较看出,随着转速的提高两种轮胎的振动幅值均急剧增加,特征频率不变,但在特征频率数量上UPTIS比TWEEL少。以上结果表明UPTIS的振动特性更优。(3)运用正交实验法探究了UPTIS辐条曲率半径、辐条张角和辐条厚度三个参数对于轮胎垂向刚度和辐条振动的影响,并确定最优参数组合。结果表明:对于轮胎垂向刚度和辐条振动,三个参数对其影响的规律相同,即辐条张角的影响最大,辐条厚度次之,辐条曲率半径较小,三个参数之间存在交互作用,辐条曲率半径和辐条张角、辐条张角和辐条厚度之间存在协同作用,辐条曲率半径和辐条厚度之间为反协同作用。正交实验优化确定的最优辐条参数组合为:辐条曲率半径20mm,辐条张角110°,辐条厚度10mm。(4)采用基于遗传算法的BP神经网络对UPTIS辐条参数进行多目标优化。结果表明:BP神经网络优化结果与正交实验优化结果相比,轮胎的垂向刚度降低5.8%,辐条测点的最大振幅峰值降低27%。在满足轮胎垂向刚度要求的情况下,辐条测点的最大振幅峰值下降较大,优化结果有效。最终确定的参数组合为:辐条曲率半径25mm,辐条张角110°,辐条厚度9mm。

关键词：非充气轮胎高速振动 UPTIS轮胎轮辐结构 TWEEL轮胎轮辐结构有限元仿真

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非充气轮胎结构设计及性能分析

非充气轮胎结构设计及性能分析

作者：李大双青岛大学

学位级别：硕士

轮胎是车辆与路面唯一接触的关键功能总成构件,发挥着带动车辆行驶、支撑车辆载荷、传递各向作用力等重要作用。车辆所有的基本使用性能,如制动性及驱动性等均与轮胎息息相关。目前,充气轮胎仍然是市场主流,但充气轮胎存在不容忽视的弱... 详细信息

轮胎是车辆与路面唯一接触的关键功能总成构件,发挥着带动车辆行驶、支撑车辆载荷、传递各向作用力等重要作用。车辆所有的基本使用性能,如制动性及驱动性等均与轮胎息息相关。目前,充气轮胎仍然是市场主流,但充气轮胎存在不容忽视的弱点,如抗刺扎能力差,漏气后基本不能行驶,以及存在着爆胎危险和制造工艺复杂等问题。与传统的充气轮胎相比,非充气轮胎具有免充气、防扎、经济、耐磨、低滚阻等优点。本课题为设计一款与某单位智能小巴相配套的非充气轮胎,基于轮胎有限元模型及结构优化分析方法,提出蜂巢轮胎的设计方案,并在山东玲珑股份有限公司的协助下进行轮胎试制及试验,为非充气轮胎的设计开发提供了研究基础。首先,设计蜂巢轮胎的单体结构,通过CATIA建立三维模型,基于ABAQUS选取不同的材料本构模型对拉伸测试数据进行拟合,选定Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型分别对支撑体及胎面材料进行表征,应用HYPERMESH对模型进行网格划分,定义模型的载荷及边界条件,建立蜂巢轮胎的三维有限元模型。其次,通过有限元分析法,分别研究蜂窝壁厚度、支撑体数量对蜂巢轮胎最大应力及应变的影响,结合聚氨酯材料的最大断裂应力,初步确定理想的支撑体结构。在确定理想支撑体结构的基础上,分别研究支撑体结构参数对接地印迹及三向刚度的影响,通过与对标轮胎的三向刚度进行对比,综合比较确定蜂窝壁厚度为6mm、支撑体数量为20的试制方案。最后,进行了样胎试制及三向刚度试验,并在不同垂直载荷作用下对蜂巢轮胎的三向刚度进行了仿真分析及试验测试。仿真分析结果与试验测试结果具有较高的一致性,表明本文建立的蜂巢轮胎模型精度较高,且具备预测轮胎三向刚度的能力。

关键词：非充气轮胎有限元分析性能分析刚度试验

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非充气轮胎浇注与固化的成型工艺仿真和优化

非充气轮胎浇注与固化的成型工艺仿真和优化

作者：邵庄北京化工大学

学位级别：硕士

非充气轮胎因其抗穿刺、免漏气、高承载能力等优点而受到广泛研究。浇注成型是非充气轮胎的一种重要成型方法,但目前针对制品浇注成型的研究主要集中在流动填充或固化热传递等单一过程,无法准确描述浇注成型全过程多物理场的耦合过程。... 详细信息

非充气轮胎因其抗穿刺、免漏气、高承载能力等优点而受到广泛研究。浇注成型是非充气轮胎的一种重要成型方法,但目前针对制品浇注成型的研究主要集中在流动填充或固化热传递等单一过程,无法准确描述浇注成型全过程多物理场的耦合过程。因此,建立一种新的浇注成型仿真方法,实现浇注成型中流动填充与热化学固化过程的多物理场耦合求解,是预测成型结果准确性的关键因素之一。本文首先从三种聚氨酯材料体系的反应动力学求解入手,建立浇注成型全过程联合仿真方法;进而采用该方法对非充气蜂窝轮胎浇注成型中的浇注过程和固化过程进行仿真分析和工艺优化,最后获得了最佳的浇注成型工艺组合参数。具体研究内容和研究成果如下:(1)通过非等温DSC实验测试,系统对比MDI预聚体与三种脂肪醇固化剂(乙二醇,1,4丁二醇和1,6己二醇)的活化能和反应动力学模型,揭示不同固化剂链长对于聚氨酯固化机理的影响规律。结果表明,同等条件下,MDI/1,4丁二醇体系反应速率比MDI/乙二醇体系快7.80%,比MDI/1,6己二醇体系快10.90%,可以更好的兼顾生产效率和生产过程控制。(2)测试聚氨酯材料热物性参数、流变特性,标定Castro-Macosko反应粘度模型参数。搭建了固化实验装置,结合两个具体算例对比验证材料反应动力学模型、浇注过程和固化过程仿真的准确性,这为后续非充气蜂窝轮胎浇注过程和固化过程仿真优化的可信度提供支撑。(3)在浇注过程仿真中,以最大温差和最大固化度差为目标结果,对非充气蜂窝轮胎进行浇注过程仿真分析。通过正交试验设计,研究模具温度、熔体温度、浇口数量、浇口尺寸等参数对目标结果的影响程度。然后基于遗传算法对两个目标结果进行全局寻优,得到了最优工艺组合参数,计算结果表明,遗传算法寻优得到的结果与正交试验主效应图分析得到的仿真结果相比,轮胎最大温差降低22.92%,最大固化度差增加5.49%。遗传算法寻优方法得到的温度场更均匀,更有利于后续均匀固化。(4)在固化过程仿真中,建立非充气蜂窝轮胎流动填充过程和热化学固化过程的联合仿真方法。将(3)中最优工艺组合参数下的轮胎温度分布数据映射到有限元模型中,作为非充气蜂窝轮胎固化过程的初始温度场,进行固化过程工艺优化。计算结果表明,与未联合仿真相比,联合仿真得到的轮胎最大温差增加40.20%、最大固化度差增加44.60%,说明非充气蜂窝轮胎浇注过程对固化过程的影响很大,不可忽略。在固化过程中,非充气蜂窝轮胎更适合恒温固化,且模具温度为100℃、固化温度为105℃左右更有利于固化成型和质量保证。

关键词：非充气轮胎浇注成型聚氨酯固化反应动力学联合仿真

非充气轮胎的热力耦合有限元方法研究与滚动阻力和温升计算

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非充气轮胎的热力耦合有限元方法研究与滚动阻力和温升计算

作者：刘金铭北京化工大学

学位级别：硕士

非充气轮胎(Non-pneumatic tires,NPT)克服了传统充气轮胎易破坏、易爆胎、加工工艺复杂等问题,是当前低碳节油轮胎的重点发展方向之一。而滚动阻力是影响轮胎能耗的重要因素,轮胎损失的能量会以热的形式耗散,影响其使用寿命。因此构建... 详细信息

非充气轮胎(Non-pneumatic tires,NPT)克服了传统充气轮胎易破坏、易爆胎、加工工艺复杂等问题,是当前低碳节油轮胎的重点发展方向之一。而滚动阻力是影响轮胎能耗的重要因素,轮胎损失的能量会以热的形式耗散,影响其使用寿命。因此构建一种轮胎滚动阻力和温升的高精度预测方法对于高性能节油轮胎的优化设计有着重要意义。本文为了实现对非充气轮胎滚动阻力和温升的高精度预测,运用了橡胶的非线性粘弹性理论,进行了轮胎热力耦合有限元计算方法的研究,主要研究内容和成果如下:(1)系统测试白炭黑增强的溶聚丁苯橡胶(S-SBR)的循环拉伸动态应力应变曲线、动态能量损耗和热学性能参数;对实心橡胶轮胎进行压缩变形测试以及不同工况下的滚动阻力和温升测试。测试结果为有限元分析的前期材料参数获取和仿真结果验证提供数据支撑。(2)根据测试结果拟合S-SBR复合材料超弹性本构方程及参数和Kraus自生热模型参数;以实心橡胶轮胎为研究对象,构建Abaqus和Endurica联合仿真的热力耦合有限元分析方法;计算Lagrangian-Eulerian、Lagrangian和Plane Strain有限元实心轮胎模型的表面温升和滚动阻力,对比它们仿真精度和计算成本的优劣。结果表明,Lagrangian-Eulerian、Lagrangian和Plane Strain实心轮胎模型在三种边界条件下表面温升的平均计算误差(%)分别为9.7、3.4和21.4,滚动阻力的平均计算误差(%)分别为11.1、7.9和44.6,计算平均时间(s)分别为2621、5597和1143。可见,Lagrangian模型仿真精度最高,但也存在计算成本最大的问题;Plane Strain模型与之相反;而Lagrangian-Eulerian兼顾了计算精度和计算成本。三种有限元模型的仿真分析结果和测试结果在变化趋势上完全一致,证明了构建的热力耦合方法的有效性。(3)将构建的热力耦合方法应用到蜂巢型、辐条型和Uptis型弹性支撑体结构的NPT模型中;在保证外缘尺寸一致、材料参数一致、边界条件一致和垂向刚度相近的前提下,计算它们在高速重载下的静态和动态性能。结果表明,蜂巢型、辐条型和Uptis型NPT模型在静态加载下的垂向刚度(N/mm)分别为523.7、515.6和522.2,Mises应力峰值(MPa)分别为4.2、3.0和3.5,接触压力峰值(MPa)分别为0.36、0.34和0.37;在动态滚动下的表面温度峰值(℃)分别为121.1、92.9和110.1,滚动阻力(N)分别为37.5、33.9和40.4。可见,辐条型NPT模型的表面温度峰值和滚动阻力计算结果均最低,在上述性能对比中具有明显优势。

关键词：非充气轮胎热力耦合联合仿真滚动阻力滞后温升