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原文传递轮胎胎面磨耗行为的实验研究与数值分析

论文题名：	轮胎胎面磨耗行为的实验研究与数值分析
关键词：	轮胎胎面;磨耗行为;有限元模型;边界位移法;接地压力;分布规律
摘要：	本文针对当前轮胎工程界和学术界亟需解决的极具挑战性的应用基础课题——轮胎胎面磨耗分析，开展了从胎面橡胶摩擦、磨耗模型(包括确定模型中参数的试验方法)到磨耗数值求解策略的一系列的研究工作，从而初步形成了完整的轮胎胎面磨耗分析方法。　　本文提出了新的消除原测试方法所带来的“结构响应”影响的销-盘式试验方法。利用新方法测试了不同接触面条件下(包括3种摩擦盘，5档载荷和8档摩擦盘速度)胎面橡胶的摩擦系数，在玻璃盘上，摩擦系数随着接触压力的增加而单调增加，随着滑动速度的增加先急剧减小，而后趋于平缓;在60目刚玉盘和180目刚玉盘上，摩擦系数均随着接触压力的增加而先增加后减小(至今未见文献报道的新现象)，随着滑动速度的增加而增加，而后趋于平缓。由此提出了表征不同接触面条件下胎面橡胶摩擦行为的统一摩擦模型。还建立了模拟新方法测试过程的有限元模型，对销-盘式试验过程进行了模拟，验证了新方法是有效的;同时计算了不同接触面、不同载荷和滑动速度下的摩擦力，验证了统一摩擦模型是有效的。此外，还模拟了橡胶轮在不同摩擦盘上的侧偏滚动，计算得到的不同载荷下的橡胶轮侧向力与实测结果也吻合较好，进一步验证了摩擦模型的有效性。　　利用LAT100测试了六种不同胶料在60目刚玉盘上的磨耗行为，并使用幂函数磨耗模型和本文提出的温度表征模型对测试结果进行了拟合，拟合结果具有很高的相关性，表明上述两个模型是有效的。利用有限元方法对试验结果进行了数值考评。提出了完整的磨耗后处理数值求解策略，即首先利用包含材料模型、几何模型和摩擦磨耗模型的有限元模型计算接触面的磨耗速率和磨耗方向;然后使用表层最大允许磨耗深度作为网格更新的判据确定当前的磨耗步长，并利用边界位移法来实现磨耗后网格的更新;同时借助于ABAQUS python脚本语言成功实现了上述磨耗过程模拟的自动化处理。还考察了判据参数δ对磨耗模拟结果的影响，提出了δ的优化选取方法，进而模拟了不同工况下橡胶轮磨耗行为。结果表明:橡胶轮磨耗质量随着滚动距离的增加而增加;接地印痕长度逐渐增加，且接地压力不均匀性逐渐增大。　　在本课题组长期形成的轮胎结构有限元建模方法和求解策略基础上建立了只包含纵沟轴对称轮胎(185/75R14)稳态滚动的隐式动力学模型。针对含纵沟轴对称轮胎的结构特点，提出了磨耗后网格更新的修正边界位移法，并采用分区多参考点法处理磨耗方向，同时借助于ABAQUS python脚本语言成功实现了上述磨耗后处理过程的自动化。采用统一摩擦模型和幂函数磨耗模型，同时采用基于本文提出的修正边界位移法的磨耗后处理法，对轮胎稳态滚动胎面磨耗过程进行了模拟，首次初步揭示了轮胎自由滚动时轮胎截面轮廓的演化规律:胎面磨耗轮廓整体上左右对称，但各个花纹条均出现了不均匀磨耗现象;磨耗深度最大区域发生在外两侧花纹条的内侧接地区域;最小区域则发生在外两侧花纹条的外侧接地区域。还揭示了胎面接地压力分布的演化过程，即接地压力分布的不均匀性逐渐增加，压力较大区域向接地区中间集中，接地印痕侧向宽度逐渐减小，纵向宽度逐渐增大。考察了轮胎行驶工况和花纹结构参数对胎面磨耗的影响。结果表明:行驶速度越高，胎面磨耗速率越大;充气压力越小，胎面磨耗速率越大;载荷越大，胎面磨耗速率越大;制动和侧偏工况下胎面的磨耗速率均远大于自由滚动下的磨耗速率;随着沟深的减小，胎面磨耗速率降低，而沟宽改变时胎面磨耗速率基本不变。　　在本课题组长期形成的轮胎结构有限元建模方法和“先隐式后显式”求解策略基础上，建立了含复杂胎面花纹轮胎(185/75R14)的显式动力学模型(该模型中还包含了本文提出的反正切帘线模型)，顺利模拟了0-30°侧偏角的轮胎侧偏滚动和0-100％滑移率的轮胎驱动。针对含复杂胎面花纹的结构特点，提出了磨耗后网格更新的周期性修正边界位移法，提出并采用节点顺序定位法处理磨耗方向，同时借助于ABAQUS python脚本语言成功实现了上述磨耗后处理过程的自动化。采用统一摩擦模型和幂函数磨耗模型，且采用基于周期性的修正边界位移法的磨耗后处理法，对含复杂胎面花纹轮胎自由滚动胎面磨耗过程进行了模拟，首次初步揭示了轮胎自由滚动时轮胎胎面轮廓的演化规律:胎面磨耗轮廓整体上左右对称，但各个花纹块均出现了侧向和纵向的不均匀磨耗现象;磨耗深度最大区域发生在外两侧花纹块的内侧接地区域;最小区域则发生在外两侧花纹块的外侧接地区域。还揭示了胎面接地压力分布的演化过程，即接地压力分布的不均匀性逐渐增加，压力较大区域向接地区中间集中，接地印痕侧向宽度逐渐减小，纵向宽度逐渐增大。另外，含复杂胎面花纹轮胎的胎面磨耗速率远大于含纵沟轴对称轮胎的磨耗速率，约为3.58倍。　　最后对全文工作进行了总结，并对以后的工作进行了展望。
作者：	李钊
专业：	固体力学
导师：	夏源明;李子然
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文