LT245/75R16輕型載重子午線輪胎不同覆膠厚度帶束層應變的有限元仿真分析

郭磊磊，朱振華，張 敏

（杭州海潮橡膠有限公司，浙江 杭州 310018）

隨著經濟高速發展，汽車已成為人們出行和運輸的主要工具之一。輪胎作為汽車與地面接觸的唯一部件，是由多種材料組成的復合體。帶束層作為半鋼子午線輪胎的主要受力部件起著舉足輕重的作用，能夠緩和地面沖擊并箍緊胎體，對輪胎滾動阻力和耐久性能等均有重要意義[1-3]。因此，帶束層設計是輪胎結構設計的關鍵[4-5]。

本工作以LT245/75R16輕型載重子午線輪胎為研究對象，應用Abaqus有限元分析軟件，仿真分析不同覆膠厚度的帶束層應變，以期為輪胎帶束層覆膠厚度設計提供參考。

1 輪胎有限元模型及結構方案

1.1 材料模型

Mooney-Rivlin模型適用于中、小變形，一般適用于應變約為拉伸100%和壓縮30%的情況。Mooney-Rivlin模型的表達式如下：

式中，W為應變能密度，C10和C01為材料常數，I1和I2為變形張量第一和第二不變量。

本工作通過單軸拉伸試驗確定橡膠材料的應力、應變關系，根據試驗參數進一步擬合出C10和C01，采用Mooney-Rivlin模型描述輪胎膠料力學性能，采用線彈性材料描述帶束層簾線、胎體簾線和冠帶層簾線等骨架材料[6-7]。

1.2 結構方案

針對LT245/75R16輕型載重子午線輪胎，本工作根據帶束層覆膠厚度的不同（其他結構完全相同）選取4個結構方案，方案1—4的帶束層覆膠厚度分別為1.5，1.8，2.0和2.2 mm。根據仿真需要，在保證帶束層鋼絲簾線處于帶束層中間位置的同時，從2#帶束層鋼絲簾線半徑0.53 mm的下邊緣起開始細分網格直至該帶束層覆膠結束，沿帶束層覆膠厚度方向分割出A—E層（各層覆膠厚度依次為0.11，0.11，0.15，0.10和0.10 mm），如圖1所示。

圖1 沿帶束層覆膠厚度方向分割示意

1.3 有限元模型

本工作采用光面輪胎進行建模，輪胎模型是軸對稱結構[8]。根據輪胎材料分布圖，利用HyperMesh軟件采用CGAX4H、CGAX3H和SFMGAX1單元完成輪胎斷面模型，要求各結構方案斷面模型單元節點的種子布置嚴格一致，如圖2所示。然后 利用Abaqus 軟件 的*SYMMETRIC MODEL GENERATION REVOLVE命令將輪胎斷面模型旋轉生成完整的輪胎模型，如圖3所示。

圖2 方案4輪胎斷面模型及局部放大示意

圖3 輪胎有限元模型

輪胎仿真工況標準負荷為1 400 kg，充氣壓力為550 kPa，裝配7J輪輞。

2 結果分析

在輪胎內部結構中，帶束層末端是整個帶束層應變最大的位置[9]。帶束層末端點因為疲勞導致覆膠脫層是輪胎損壞的常見形式之一。4個方案的2#帶束層末端最大主應變均發生在中間接地斷面附近，如圖4所示（以下均采用中間接地斷面進行討論）。

圖4 2#帶束層最大主應變分布云圖

不同方案的2#帶束層末端A層覆膠最大主應變1周變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，方案1—4的2#帶束層末端A層覆膠最大主應變呈現依次降低的趨勢，各方案變化幅值均在20%以上。

圖5 不同方案的2#帶束層末端A層覆膠最大主應變1周變化曲線

不同方案的2#帶束層末端B層覆膠最大主應變1周變化曲線如圖6所示。

圖6 不同方案的2#帶束層末端B層覆膠最大主應變1周變化曲線

從圖6可以看出，方案1—4的2#帶束層末端B層覆膠最大主應變依次降低，方案2和3的最大主應變相對于方案1降低約10%，方案2和3之間最大主應變變化較小，方案4相對于方案1最大主應變降低約28%。

不同方案的2#帶束層末端C層覆膠最大主應變1周變化曲線如圖7所示。

圖7 不同方案的2#帶束層末端C層覆膠最大主應變1周變化曲線

從圖7可以看出，方案2和3的2#帶束層末端C層覆膠最大主應變相差很小，而方案4相對于方案2和3的最大主應變降低約20%。

不同方案的2#帶束層末端D層覆膠最大主應變1周變化曲線如圖8所示。

圖8 不同方案的2#帶束層末端D層覆膠最大主應變1周變化曲線

從圖8可以看出，方案4的2#帶束層末端D層覆膠最大主應變相較于方案3降低20%左右。

4個方案在帶束層覆膠厚度方向上各區層最大主應變如表1所示。

從表1可以看出，每個方案的帶束層覆膠在不同位置的最大主應變變化明顯。方案1的B層相較于A層的最大主應變降低約25%，變化幅度較大；方案2的B層相對于A層的最大主應變降低23%左右，變化較為明顯，而該方案的C層相較于B層的最大主應變變化在2%以內；方案3和4在帶束層覆膠厚度方向上的最大主應變雖然也呈下降趨勢，但是變化幅度在3%以內。

表1 不同方案在帶束層覆膠厚度方向上各區層最大主應變

3 結論

（1）同一方案帶束層覆膠的最大主應變隨著與中心骨架距離增大而減小；不同方案的同一位置，帶束層覆膠的最大主應變隨著整體帶束層覆膠厚度增大而減小。

（2）根據有限元分析結果，LT245/75R16輕型載重子午線輪胎方案1的A和B層的最大主應變幅值變化達25%，方案2的A和B層最大主應變幅值變化在23%左右，此兩方案在A和B層最大主應變變化非常敏感，而方案3和4在各層之間最大主應變都在3%以內，說明帶束層不同覆膠厚度對于最大主應變變化的敏感程度是不同的，從而可為帶束層不同覆膠厚度設計提供參考依據。