凹坑型仿生輪胎花紋降噪分析

摘 要：本文基于乘用車輪胎205/55R16為研究對象，以胎體結構和橡膠材料固定不變為前提，提取滾動輪胎花紋溝體積變形信息作為噪聲分析的邊界條件。結合有限元分析、計算流體力學和計算聲學等方法，借鑒工程流體領域仿生非光滑減阻降噪設計理念，將凹坑型非光滑結構移植到輪胎花紋溝壁設計中。分別對比光滑壁面的花紋溝噪聲和凹坑型非光滑的花紋溝噪聲的數值仿真分析，通過對花紋噪聲聲壓對比，結果表明凹坑非光滑結構的存在影響著花紋內部氣流流動狀態，降低了渦量，從而減小了花紋噪聲的產生。

關鍵詞：花紋噪聲 非光滑結構 流體渦量 降噪

中圖分類號： TQ336 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2015）07（c）-0000-00

歐盟輪胎標簽法的實施以及我國出臺的《綠色輪胎技術規范》對輪胎噪聲性能均提出了明確要求及限制等級。面對日益嚴苛的法規要求，研究低噪聲性能輪胎新技術迫在眉睫。然而，輪胎噪聲的發聲機理復雜，受多種因素相互影響，目前尚未有統一的設計思路來指導輪胎低噪聲設計。事實上，輪胎花紋噪聲的產生不僅與花紋結構設計有關，而且與花紋溝槽內流體運動狀態也密切相關[1]。仿生非光滑結構在工程流體領域的減阻降噪研究成果[2，3]，給本文花紋降噪提供了一個新的思路。因此，本文將凹坑型非光滑結構引入到花紋壁面設計，通過采用有限元分析和計算聲學分析相結合的方法，對凹坑型仿生花紋噪聲進行降噪分析。

1輪胎花紋噪聲仿真模型建立與分析

1.1輪胎有限元模型的建立

本文以205/55R16半鋼子午線輪胎為研究對象，其額定載荷4000N，額定充氣壓力0.24MPa。輪胎建模時，橡膠材料模型采用YEOH本構模型，橡膠—簾線采用Rebar單元模型，橡膠單元分別采用C3D8R和C3D6，鋼絲簾線采用SFM3D4R來模擬。其中，輪胎胎體結構和胎面花紋采用TIE命令進行組合建模。輪胎模型如圖1所示。

圖1 輪胎有限元模型

1.2花紋噪聲模型的建立

為考慮花紋在輪胎滾動過程中體積變化對花紋溝內氣流運動和噪聲的影響，在Abaqus/Explicit求解器中對205/55R16輪胎模型進行了瞬態求解，設定速度為80km/h，以單一節距為對象，提取在滾動過程中花紋溝體積隨時間的變化信息，如圖2所示，將其作為花紋噪聲產生的邊界條件。由圖2可知，花紋溝槽在與輪胎接地過程中，花紋溝槽空間體積經歷了先減小、后增大的變化過程，整個過程呈現簡諧運動，整個滾動過程中花紋溝體積變化為17.37%。

圖2花紋溝體積變化時域信息

輪胎花紋噪聲模型長度遵循輪胎靜態加載獲得的接地長度120mm，但是考慮到計算效率的原因，本文采取接地長度一半，即以60mm作為分析對象，如圖3所示?？紤]到滾動輪胎周圍實際流體的運動，在橫溝出口區域建立一個附加的空氣流動區域，一是能夠最大程度反映實際物理模型，二是能夠捕捉到橫溝花紋在擠壓過程中泵氣、吸氣時的出口流動特性。最終確立所建立的附加空氣流域高度為2倍的花紋溝槽深度，寬度為0.8倍的橫溝長度，長度為165mm，網格單元全部采用結構化六面體單元，如圖4所示。其中，定義在來流方向上的空氣域進口、兩個縱向花紋溝槽為速度入口，速度為80km/h。氣流出口為一個大氣壓力出口，輪胎縱向花紋、橫向花紋氣流出口端和與之接觸的空氣域側壁設置為具有數據傳遞功能的Interface邊界條件，其余花紋模型表面均定位無滑移壁面。將溝槽體積變化等效認為全部是由花紋溝槽底部變形運動完成，通過udf宏命令實現邊界條件的施加。

圖3 原始花紋結構模型 圖4 花紋噪聲計算模型及邊界條件

1.3 凹坑型仿生花紋模型建立

本文將凹坑布置于花紋溝的側壁，輪胎在接地區內花紋溝底部可近似為平面，其邊界層厚度可以參考平板湍流邊界層厚度公式來計算。本文中的流體介質為空氣，氣流速度為70-100km/h，由此可以計算出邊界層的厚度約為0.9-1mm之間。本文所布置的凹坑非光滑結構的尺寸必須在此范圍之內。凹坑型結構采用一字型排列分布在橫向花紋溝的側壁上，如圖5所示。

圖5 凹坑型仿生花紋結構模型

1.4模型網格劃分

將不同花紋結構模型導入到Hypermesh中進行網格劃分，采用分割的方法對子模型進行網格劃分，將花紋溝從上到下分割成幾個區域，布置有凹坑的區域進行網格的細化，從上往下網格逐漸增大，采用四面體與三棱柱的混合網格來進行劃分。在采用SST模型，邊界層內網格數至少為15個，經過反復嘗試，最終將第一層網格的尺寸取0.02m，增長率為1.5，計算域最大網格尺寸為0.3mm，圖6為模型網格及凹坑表面網格局部放大圖。

圖6 凹坑表面網格及局部放大圖

2花紋噪聲結果對比分析

在選擇噪聲測點之間，首先對原始花紋溝流場進行了分析，在流場穩定分布的地方選擇四個噪聲測點，如圖7所示。采用FW-H方程的分別獲得原始花紋與凹坑型仿生花紋的聲壓級。結果表明凹坑表面的仿生花紋相比于原始的輪胎花紋在降噪方面，在輪胎噪聲峰值出現的800-1200Hz頻帶內，最大降噪量可達2.5dB。

圖7 花紋溝槽內部穩態動壓分布云圖及聲壓測點位置

圖8 不同花紋設計的測點總聲壓對比圖

圖9為仿生花紋溝凹坑內部流體運動矢量圖，由圖9可以發現，在凹坑底部存在著類似“滾動軸承”的流體，這樣就會減小流體與花紋壁面的摩擦力，增加流體運動速度，從而降低花紋溝槽內渦量強度，通過將花紋溝內大尺度渦轉化為小尺度的渦來實現噪聲降低。

圖9凹坑內流體運動特征

3結論

1、滾動輪胎花紋在接地過程中，花紋溝體積變化呈現簡諧運動狀態，花紋溝槽空間體積經歷了先減小、后增大的變化過程。

2、通過對原始花紋噪聲與凹坑型仿生花紋噪聲的對比分析，凹坑型非光滑結構主要是通過影響花紋溝內流體運動狀態，通過將花紋溝內大尺度渦轉化為小尺度的渦來實現噪聲降低。

3、本文提出的花紋溝凹坑非光滑結構設計，為以后的低噪聲輪胎花紋設計提供了一個新的思路和突破點。

參考文獻

[1]Fujiwara S， Yumii K， Saguchi T， et al. Reduction of tire groove noise using slot resonators[J]. Tire Science and Technology， 2009， 37（3）： 207-223.

[2]叢茜，封云，任露泉.仿生非光滑溝槽形狀對減阻效果的影響[J].水動力學研究與進展，2006， 3，21 （2）：233-239.

[3]余潔冰，臧孟炎. 輪胎泵氣噪聲有限元仿真研究[J]. 中國制造業信息化，2010，39（15）：48-50.