免充氣輪胎支撐結構仿真分析與優化*

程新龍,翁晨皓,洪圣康

(1.安陽職業技術學院 汽車學院,河南 安陽 455000;2.蘇州國方汽車電子有限公司,江蘇 蘇州 215100;3.江蘇大學 汽車與交通工程學院,江蘇 鎮江 212013)

輪胎是車輛和路面唯一接觸的零部件,對車輛的駕乘舒適性、行駛安全性具有重要影響[1-3]。由于傳統充氣式輪胎存有漏氣、不抗刺扎、爆胎等安全隱患,輪胎行業內近年不斷推出了安全輪胎產品。其中,免充氣輪胎產品,如米其林的Tweel輪胎、韓泰的I-Flex輪胎等,通過引入免充氣支撐結構設計,使得輪胎兼有免充氣、防爆、散熱好、耐磨等優點[4],從而大大提升了輪胎的安全性和經濟性,備受用戶矚目。

免充氣輪胎的支撐結構多采用聚氨酯材料,其一方面具有塑性材質的高強度、抗撕裂、耐高溫等特性;另一方面又具有橡膠材質的高彈性特征,是生產免充氣輪胎的理想材料[5]。同時,免充氣輪胎的支撐結構兼具有承載來自地面的側向、縱向動態載荷的能力,保證輪胎滾動時的良好減振性。相關研究表明,免充氣輪胎支撐結構的設計參數對輪胎的性能發揮具有一定的影響機制[6]。

因此,本文耦合了Abaqus和Isight兩款計算機仿真軟件,選以Tweel輪胎為例,通過有限元仿真分析來研究不同聚氨酯支撐結構設計參數對免充氣輪胎的接地力學特性影響規律;同時,對其支撐結構的主要設計參數展開多目標優化設計,以實現協同提升Tweel輪胎抓地和減振性能的目的。

1 Tweel輪胎有限元模型的建立與驗證

1.1 Tweel輪胎的三維結構

圖1(a)所示為Tweel輪胎實物,其主要組分為輪輞、輻條式聚氨酯支撐體和胎面3個部分,其主要結構參數如表1所示。圖1(b)為依據Tweel輪胎實物結構參數[7]建立的輪胎三維模型。

(b)聚氨酯支撐結構圖1 Tweel輪胎示意圖

表1 Tweel輪胎結構參數

模型中,Tweel輪胎的輻條式聚氨酯支撐體是由30對輻條組成,連接著輪轂和胎面環結構;同時,胎面環結構通過兩道加強層將其分成輻條相連的內覆蓋層、剪切層、胎面相連的外覆蓋層三個層次,其中,剪切層起著承載剪切力作用,加強層起著保證徑向剛度和強度的作用。

1.2 Tweel輪胎的材料模型

胎面環結構采用超彈性橡膠材料,為更準確表達材料的非線性力學特性,本文使用了拉伸實驗機依據GB/T 2941—2006對Tweel輪胎橡膠材質展開了拉伸實驗。實驗時,三角膠膠料測試應變區間為10%～80%,其余膠料應變測試區間為10%～140%。為提高測試結果的準確性,將每種膠料重復測試3次并取其平均值。隨后,把實驗數據導入Abaqus中進行了多種本構模型擬合匹配,結果如圖2所示。

名義應變圖2 橡膠本構模型擬合線

結果表明,通過使用Yeoh模型來擬合其材料的精度最高,所以本文使用Yeoh模型來描述Tweel輪胎胎面環結構的橡膠材料力學特性,其應變能密度如公式(1)所示。同時,支撐結構采用聚氨酯材料,選用線彈性模型來描述,定義其彈性模量為130 MPa,泊松比為0.4[8]。

W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2+C30(I1-3)3

(1)

式中:W為應變能密度;I1為主伸長比的第一不變量;C10、C20、C30為材料常數。

1.3 Tweel輪胎的載荷和邊界條件

有限元仿真分析過程中,通過使用庫倫摩擦定義了胎面與路面剛體間的接觸,數值設定為0.5,定義接觸面上承載徑向指向輪輞中心、大小為4 000 N來等效代替輪胎滾動時的受力情況。此外,胎面環結構和支撐結構定義綁定約束,約束輪轂全部自由度。

1.4 Tweel輪胎有限元模型驗證

完成上述有限元仿真前處理后即可得到圖3所示的Tweel輪胎-路面有限元仿真模型。

圖3 Tweel輪胎有限元模型

為了驗證有限元仿真模型的可靠性,本文提取了Tweel輪胎徑向加載4 000 N時域下的胎面徑向位移值隨作用力變化曲線,并與Tweel輪胎加載4 000 N的實驗值作對比,結果如圖4所示。由圖4可知,有限元模型的作用力-位移變化曲線的仿真值與實驗值基本相似,且彼此間所有的誤差不超過1%。因此,通過對比驗證了本文所建Tweel輪胎有限元模型具有可靠性,能代替實體輪胎用于后續有限元仿真分析研究。

位移/mm圖4 Tweel輪胎力-位移實驗值與仿真值對比

2 Tweel輪胎聚氨酯支撐結構DOE分析

2.1 Tweel輪胎有限元分析

利用Tweel輪胎-路面有限元模型進行仿真分析后,提取了輪胎的應變和位移信息,如圖5所示。

(a) 輪胎接地壓力分布

(b) 輪胎變形位移分布圖5 Tweel輪胎接地信息

通過對圖中數據的提取獲得了胎面接地壓力峰值和接地面積值,并根據公式(2)計算得出胎面的接地壓力偏度值[9],如表2所示。同時,本文還提取了輪胎60 Km/h滾動速度下的胎面-路面間徑向激勵力,如圖6所示。

(2)

式中:np為測量點數;pi為各測量點的接地壓力值;ˉp為平均接地壓力值。

表2 Tweel輪胎接地參數指標

時間/s圖6 Tweel輪胎接地頻域下的徑向激勵力

為便于后續研究Tweel輪胎聚氨酯支撐結構設計參數對輪胎抓地和減振性能的影響,本文以Tweel輪胎的接地壓力偏度值和接地面積值來評價抓地性能,以Tweel輪胎的時域徑向激勵力來評價減振性能。研究表明[10-13],輪胎的接地壓力偏度值越小,接地面積值越大,輪胎的抓地性能越好;輪胎的時域徑向激勵力幅值和波動越小,輪胎受路面的沖擊作用越弱,輪胎減振性能越好。

2.2 Tweel輪胎聚氨酯支撐結構參數設計與分析

為研究Tweel輪胎聚氨酯支撐結構的寬度、厚度和圓弧曲率對輪胎抓地和減振性能的影響,同時為后續對其結構參數多目標優化設計做準備。本文耦合了Abaqus和Isight軟件[14],通過調用Isight軟件的實驗設計(DOE)模塊來完成對Tweel輪胎聚氨酯支撐結構的自動化修改,并重新導入Abaqus軟件完成有限元仿真分析輸出或計算獲得Tweel輪胎的接地面積值、接地壓力偏度值和時域下的徑向激勵力。其中,流程如圖7所示。

圖7 軟件耦合流程圖

根據Tweel輪胎聚氨酯支撐結構的實際結構,如圖8所示,本文篩選了其主要的結構寬度A、厚度B和圓弧曲率C共計3個結構設計參數為DOE分析中的設計變量,同時選取Tweel輪胎的接地面積值和徑向激勵力峰值作為目標函數,展開結構參數對其性能的影響規律分析。本文利用Isight軟件DOE模塊,基于優化的超拉丁方實驗設計理論針對3個設計參數創建了16個樣本方案組成的實驗矩陣,相關數值如表3所示。其中,Tweel輪胎聚氨酯支撐結構的寬度(A)、厚度(B)、圓弧曲率(C)原始值依次是16.50 cm、2.50 cm、7.48 cm。

圖8 聚氨酯支撐結構

通過計算上述16個方案能很好地探究了Tweel輪胎聚氨酯支撐結構參數(輸入參數)對輪胎性能的(輸出參數)貢獻度,結果如圖9和圖10所示(Pareto貢獻度圖中,藍色表示正貢獻度,紅色表示負貢獻度)[15]。圖中數據說明,對于輪胎抓地性能,聚氨酯支撐結構的寬度A和厚度B為負貢獻度,圓弧曲率C為正貢獻度,且貢獻度值分別為21%、37%和42%,即若要提升輪胎的抓地性能,應適度減小聚氨酯支撐結構的A和B,增加C;對于輪胎的減振性能,聚氨酯支撐結構的A為負貢獻度,B和C為正貢獻度,且貢獻度值分別為11%、32%和57%,即若要提升輪胎的減振性能,應適度減小聚氨酯支撐結構的A,增加B和C。

表3 DOE模塊實驗設計矩陣

貢獻度值/%圖9 支撐結構參數對抓地性能的貢獻度

貢獻度值/%圖10 支撐結構參數對減振性能的貢獻度

3 Tweel輪胎聚氨酯支撐結構多目標優化

本文根據DOE分析結果,以協同Tweel輪胎提升的抓地和減振性能為目標,繼續在Isight軟件中對聚氨酯支撐結構的A、B和C共計3個結構參數進行多目標優化。其中優化方法選用自適應模擬退火算法(ASA),設定最大設計方案次數為10 000,展開尋優。通過軟件尋優設計后確定了本文的最佳方案,Tweel輪胎聚氨酯支撐結構參數優化前后對比如表4所示,相關接地參數指標優化前后對比如表5所示。Tweel輪胎接地頻域下徑向激勵力優化前后對比如圖11所示。

表4 支撐結構參數優化前后對比

表5 Tweel輪胎接地參數指標優化前后對比

時間/s圖11 Tweel輪胎接地頻域下的徑向激勵力優化前后對比

通過對比優化前后Tweel輪胎接地參數指標和徑向激勵力發現,通過對Tweel輪胎聚氨酯支撐結構的主要結構參數進行多目標優化設計,有效提升了輪胎的接地面積,降低了輪胎的接地壓力偏度值,降低了輪胎滾動時的徑向激勵力,達到了協同提升Tweel輪胎的抓地和減振性能的效果。

4 結 論

(1)免充氣輪胎的支撐結構對輪胎的性能具有一定的影響,對于Tweel輪胎來說,其支撐結構的A、B、C分別對其抓地性能為負貢獻度21%、負貢獻度37%、正貢獻度42%;對其減振性能為負貢獻度11%、正貢獻度32%、正貢獻度57%。

(2)通過耦合Abaqus和Isight軟件完成對Tweel輪胎聚氨酯支撐結構多目標優化,實現了協同提升輪胎抓地和減振性能的目的。