碳纖維材料在航空輪胎上的應用

劉肖英，何雪濤，張金云，楊衛民，張 閣，丁玉梅

(北京化工大學 機電工程學院，北京 100029)

胎面磨損不僅直接影響輪胎使用壽命，而且關系到輪胎操縱、噪音等諸多使用性能。隨著輪胎工業的發展，現代環保標準對輪胎的使用要求越來越高，胎面磨損性能越來越成為輪胎制造商、研究者和使用者密切關注的焦點[1]。航空輪胎作為一種負荷大、速度高、下沉量大、變形大和充氣壓力高的輪胎[2]，在飛機起飛、著陸的短暫滑跑過程中，瞬間承載飛機質量、緩沖振動和沖擊[3]，輪胎胎面磨損問題同樣是迫在眉睫需要解決的技術難題。對胎面摩擦磨損特性的研究，目前仍主要依賴實驗與經驗的方法，但是采用有限元分析技術可以在很大程度上減小研究成本和周期并且已成為輪胎領域的熱門研究手段。朱春俠等采用ANSYS建立子午線輪胎的三維有限元模型，通過分析輪胎的各個模態得到了輪胎各部位的變形和應力情況，從而為降低或避免輪胎的磨損提供了一定的理論依據[4]。王國林等建立了一套數值優化方法，對子午線輪胎結構進行優化，使輪胎磨損性能得到改善[5]。楊禮芳等通過對比仿真分析結果與理論估算值研究某型號航空子午線輪胎的橫向和側向剛度，表明所建立的有限元分析模型可較好地模擬該型航空輪胎的剛度特性[6]。本文基于46/17R20型子午線航空輪胎從力學角度以有限元分析方法研究導致其胎肩磨損過快問題，根據分析結果研發設計出一種新型高性能輪胎——“雙剛圈”航空輪胎，并利用有限元方法驗證了其性能優越性，為實驗胎的制作和新型輪胎開發提供了方向性指導并奠定了理論基礎。

1 輪胎磨肩問題力學原因

某型子午線航空輪胎工作時出現了由輪胎肩部過快磨損引發整個接地區域胎面橡膠磨損失效而嚴重影響輪胎的使用壽命的問題。圖1顯示了輪胎使用前以及報廢時航空輪胎胎面橡膠形態對比圖，輪胎工作時出現了兩側胎肩磨損過快的現象，并在長期使用后磨肩現象引起整體胎面橡膠的磨損，報廢時航空輪胎胎面橡膠磨損量大致與輪胎縱向溝槽深度相同，約為20 mm。另外輪胎肩部有2條不同于胎面其它部位的縱向明顯磨痕，同樣是輪胎磨肩、磨冠現象的進一步體現。

(a) 全新胎面

(b) 失效胎面圖1 輪胎胎面橡膠形態對比圖

本文利用有限元技術，首先分析輪胎標準工況下的力學特征并研究其胎面磨損過快的根本原因，然后對比“雙剛圈”輪胎與傳統航空輪胎在輪胎剛度、接地性能等方面力學性能的優越性。本型號航空輪胎的骨架材料結構如圖2所示，主要由4個部分組成，分別為尼龍胎體簾線、尼龍帶束層簾線、鋼絲胎圈以及芳綸冠帶層，其中胎體簾線含有六層，包括由內到外繞胎圈反包高度逐漸增大的四層胎體簾線，以及兩層正包高度大致相同的正包胎體簾線；帶束層由八層沿胎面寬度方向長度不同的尼龍簾線組成，簾線長度由內到外依次減小，帶束層簾線與輪胎子午方向夾角為75°，相鄰兩層帶束層交叉排列；胎圈部位直徑較小的鋼絲以環形陣列緊密圍繞在中間一根較大直徑的鋼絲周圍，整體圍繞成圓形斷面，鋼絲與鋼絲之間沒有掛膠；冠帶層是一層芳綸簾線，位于第八層帶束層簾線的外側，用以箍緊輪胎并緩沖飛機著陸時與地面的沖擊。

圖2 輪胎二維斷面

利用ABAQUS對航空輪胎在標準靜載工況下的輪胎胎面橡膠、帶束層等效應力沿胎面寬度方向的分布規律進行了研究分析，胎面膠等效分布規律如圖3所示，L2為胎面橡膠在接地區域胎面寬度方向中心線，L1、L3分別為在滾動前方和后方胎面橡膠上的2條L2的平行線。3條直線上的等效應力分布規律為：由胎肩向內等效應力先增大后急劇下降，肩部橡膠出現了等效應力極值點，該最大值應力約為中心區域應力的3倍，胎面橡膠受力不均導致胎肩部位橡膠過載磨損失效，隨著使用時間增長，磨損進一步擴展到整個胎面引起嚴重磨損。輪胎帶束層等效應力如圖4所示，Belt2、Belt4、Belt6分別表示第二、四、六層帶束層等效應力分布，三層帶束層分布規律類似，由中心區域過渡到某點后應力值迅速增大，帶束層端部應力過大同樣造成了肩部膠的磨損破壞。

胎面寬度/mm圖3 胎面橡膠等效應力

胎面橡膠以及輪胎帶束層等效應力分布均表現為輪胎肩部受力明顯大于中心接地區域，這正是導致輪胎過快磨肩現象的直接原因。本航空輪胎的胎體、帶束層材料全部采用尼龍簾線，相對于航空輪胎承受的巨大載荷，尼龍簾線強度和模量不夠大，輪胎真圓度和剛度不足，導致輪胎長期過載工作，接地部分加寬，中部略向上拱起，從而造成胎冠兩肩著地致使超常磨損[7]，正是輪胎磨肩現象的根本原因。

胎面寬度/mm圖4 帶束層簾線等效應力

2 “雙剛圈”航空輪胎與傳統輪胎性能對比分析

2.1 “雙剛圈”航空輪胎概述

為了解決傳統航空輪胎的剛度低、磨肩、磨冠等問題，設計發明了一種新型高性能航空輪胎，利用一層高模量碳纖維材料代替傳統航空輪胎的尼龍或者芳綸簾線帶束層及帶束層掛膠，并與航空輪胎的輪輞組成了“雙剛圈”結構，如圖5所示。

圖5 “雙剛圈”航空輪胎

剛性材料是外剛圈，輪輞是內剛圈，由外剛圈代替帶束層起到緩和沖擊、箍緊胎體的作用，并通過內剛圈的上下浮動保證輪胎的舒適性。外剛圈的主體材料選用碳纖維高分子材料，碳纖維層與層之間以及與附近的膠料之間由環氧樹脂粘結，其抗拉強度和彈性模量遠遠高于鋼材，密度卻只是鋼的1/4。因此，“雙剛圈”航空輪胎的主要優勢體現在以下幾方面：(1)能夠承受很大的沖擊應力而不屈服；(2)高速性能優越；(3)輪胎滾動阻力低，降低油耗；(4)抗刺扎性能很好，能減少裂紋擴展引起的膠料失效；(5)耐熱性、抗熱沖擊性好，胎面變形小，滑動摩擦少，這樣產生的熱量少，可以減小磨損，加速散熱[8]。

2.2 有限元模型

“雙剛圈”航空輪胎與傳統輪胎建模方法相同，先在ABAQUS軟件CAE模式下對二維幾何模型進行材料屬性賦予和網格劃分得到二維有限元模型，然后編寫程序語言input文件，其中語句由模型旋轉命令、充氣和沖擊工況分析命令、結果輸出定義命令等，利用input文件調用二維有限元模型，完成三維模型建立、充氣和沖擊工況的有限元分析及有限元分析結果的輸出。分析中主要載荷包括充氣壓力1 MPa、豎直方向集中載荷30 kN以及豎直方向700 mm/s的沖擊載荷，保證對“雙剛圈”航空輪胎以及傳統輪胎施加完全相同的載荷條件以及邊界條件。考慮橡膠基體材料的超彈性、不可壓縮性,選用CGAX4H對稱實體雜交單元，胎體簾線、帶束層等骨架材料選用SFMGAX1型線性單元，并以rebar層的形式嵌入到橡膠基體中，橡膠基體材料和骨架材料利用interaction命令聯系成一個有機整體。

與傳統輪胎有限元模型不同之處在于，“雙剛圈”航空輪胎骨架材料中不包含帶束層簾線，以rebar層形式潛入到橡膠基體內的骨架材料只有胎體簾線和鋼絲圈，剛性高分子材料作為一種基體材料，其二維斷面如圖6所示，圖中深色部分為剛性高分子材料層替代帶束層簾線作為承載元件。

圖6 “雙剛圈”輪胎二維斷面

橡膠材料具有超彈性、不可壓縮性、大變形等力學性能特點，其應力-應變關系表現為明顯的非線性，目前比較完善的橡膠本構模型是Yeoh材料模型(考慮剪切模量隨變形變化)用其描述橡膠的力學行為，其應變能函數[9]如式(1)所示。

W=A10(I1-3)+A20(I1-3)2+

A30(I1-3)3

(1)

2.3 有限元分析結果

2.3.1 靜載工況

傳統航空輪胎由于骨架材料模量過低導致輪胎徑向剛度較低而不足承受飛機載荷，使得輪胎由于過載出現兩側胎肩過快磨損，因此首先研究了2種不同輪胎在相同靜載工況下的徑向剛度，如圖7所示?！半p剛圈”輪胎的徑向剛度為2 102 N/mm，傳統輪胎僅為910 N/mm，徑向剛度提高約2.3倍，由此可見 “雙剛圈”輪胎的徑向剛度明顯增大，能夠改善輪胎過載工作的情況，從根本上解決輪胎工作時出現的兩側胎肩磨損過快的問題。

位移/mm圖7 輪胎徑向剛度

輪胎接觸壓力分布是影響輪胎耐磨性、制動性以及越障性能的重要指標，行駛過程中輪胎的磨冠磨肩等不正常磨損現象是由于接觸壓力分布不均勻直接引起的。圖8和圖9為傳統輪胎和“雙剛圈”輪胎在充氣壓力、載荷、邊界條件等完全相同的情況下，靜載工況下的接觸壓力云圖，兩圖定性對比了“雙剛圈”輪胎和傳統航空輪胎的接觸壓力分布，可以看出傳統輪胎接觸壓力最大值出現在輪胎肩部，并且胎肩部位接觸壓力明顯大于其它接地區域胎面橡膠的接觸壓力值；而“雙剛圈”輪胎接觸壓力最大值在胎冠中心處，接地區域其它部位的胎面橡膠接觸壓力均明顯小于該值。

圖8 傳統輪胎接觸壓力云圖

圖9 “雙剛圈”輪胎接觸壓力云圖

圖10則定量地表明兩者接觸壓力的數量關系，“雙剛圈”輪胎和傳統輪胎肩部橡膠接觸壓力均約為0.6 MPa，而胎冠中心區域接觸壓力“雙剛圈”輪胎為0.66 MPa，傳統輪胎為0.28 MPa，由此看出傳統輪胎接觸壓力集中于胎肩部位，而胎冠部位的接觸壓力不足肩部膠的1/2,“雙剛圈”輪胎胎冠中心接觸壓力是肩部膠的1.1倍。另外，整個接地區域“雙剛圈”輪胎接觸壓力在0.475～0.66 MPa之間，傳統輪胎則在0.25～0.6 MPa之間，“雙剛圈”輪胎的接觸壓力均勻性明顯優于傳統輪胎。綜上所述，“雙剛圈”輪胎的接觸壓力比傳統輪胎在分布規律和均勻性方面優化結果顯著，能夠很大程度上提高航空輪胎的耐磨和制動性能。

胎面寬度/mm圖10 接觸壓力分布曲線

胎面橡膠的等效應力分布能夠直觀地反映接地區域胎面橡膠的處理情況。圖11對比了“雙剛圈”輪胎和傳統航空輪胎靜載工況下接地區域橡膠沿胎面寬度方向上的應力分布曲線。由圖11可知，“雙剛圈”輪胎橡膠等效應力由兩側肩部到胎冠中心大致呈逐漸增大趨勢，最大值在胎冠中心。傳統航空輪胎等效應力分布規律則是先增大后減小，最大值出現在胎肩部位，胎冠中心橡膠等效應力值明顯小于肩部膠。這間接說明“雙剛圈”輪胎工作時胎面接地區域加寬，中部略向上拱起的現象得到改善。

胎面寬度/mm圖11 胎面膠等效應力分布曲線

2.3.2 沖擊工況

飛機著陸瞬間豎直方向速度仍然存在，因此航空輪胎會以一定的豎直速度沖擊地面，本部分研究了飛機著陸瞬間沖擊路面時航空輪胎的力學性能即輪胎的沖擊工況，本工況航空輪胎承受的載荷包括充氣壓力1 MPa、豎直方向集中載荷30 kN以及豎直方向700 mm/s的沖擊載荷。為了研究沖擊工況下航空輪胎接地區域的整體變形，沿輪胎縱向由接地區域中心點向滾動前方提取對稱面上最外層橡膠豎直方向上的變形量，并繪制了“雙剛圈”輪胎與傳統輪胎對應點上的變形曲線,如圖12所示。

偏離接地中心點距離/mm圖12 接地區橡膠徑向變形曲線

傳統輪胎接地區域橡膠豎直方向最大變形量U3為23.8 mm，而“雙剛圈”輪胎對應點U3僅為8.9 mm，“雙剛圈”輪胎變形量不足傳統輪胎的40%，胎面橡膠變形大大減小不僅可以降低由橡膠材料粘彈性引起的遲滯損失和輪胎沖擊地面瞬間產生的熱量，同時輪胎的真圓度顯著提高[10]，能夠降低輪胎在后續制動過程中的滾動阻力，明顯提高輪胎的使用壽命。

傳統輪胎與 “雙剛圈”輪胎側橡膠的橫向變形云圖如圖13、圖14所示，圖示坐標系Y軸正方向為垂直紙面向內，因此U2值越小變形越大，即云圖中圈出部分膠料橫向變形最大，是輪胎“外鼓”現象最明顯部位。由圖13和圖14可知，傳統輪胎側橡膠橫向變形最大值為18.69 mm，而“雙剛圈”輪胎橫向變形最大值為16.96 mm，對比傳統輪胎，新型“雙剛圈”輪胎的橫向變形下降9.2%。胎側橡膠變形小能夠降低在輪胎滾動時周期性承載、卸載過程中的疲勞損傷，減小胎體簾線伸長量，降低胎側膠被刺扎穿破而影響輪胎使用性能的可能性。

圖13 傳統輪胎側橫向變形

圖14 “雙剛圈”胎側橫向變形

3 結 論

(1) 航空輪胎兩側胎肩過快磨損根本原因是輪胎骨架材料剛度的不足，直接原因是肩部橡膠以及骨架材料應力集中、受力不均。

(2) “雙剛圈”輪胎的徑向剛度比傳統輪胎提高2倍，接觸壓力分布得到改善，均勻性有所提高，輪胎操縱性能更加優越。

(3) “雙剛圈”輪胎改善了傳統輪胎接地區域印痕加寬，中部向上拱起的現象。

(4) “雙剛圈”輪胎胎面橡膠豎直方向變形最大減小62.6%，胎側膠橫向變形下降9.2%，輪胎耐磨性和疲勞性能顯著改善。

參 考 文 獻：

[1] 何濤.子午線輪胎胎面磨損有限元分析[D].合肥：中國科學技術大學，2009.

[2] 王松威，關偉平.全球航空輪胎業現狀與發展趨勢[J].輪胎工業，2009,9(11)：643-648.

[3] 李漢堂.航空輪胎的發展概況[J].橡膠科技，2013(1)：5-7.

[4] 朱春俠，駱劍亮.子午線輪胎磨損的計算機仿真[J].農機化研究,2008,2(2):57-62.

[5] 王國林，王晨，張建，等.基于有限元分析的輪胎磨損性能優化[J].汽車工程,2009,31,(9):867-870.

[6] 楊禮芳，魏小輝，印寅，等.某型航空子午線輪胎剛度仿真分析[J].化工學報,2013,5(5):146-160.

[7] 張利雯，楊朝英，張玉泉.汽車輪胎磨損分析[J].科技信息，2011(10)：105-106.

[8] 張閣.一種雙剛圈結構航空輪胎:中國專利,CN102874055A[P].2013-01-16.

[9] 危銀濤，楊挺青，杜星文.橡膠類材料大變形本構關系及其有限元方法[J].固體力學學報,1991,10(4):282-286.

[10] 楊衛民.輪胎設計與制造工藝創新的發展方向[J].橡膠技術裝備,2013,39(2):20-26.