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原文传递扇叶轮辐式非充气轮胎承载性能和气动特性研究

论文题名：	扇叶轮辐式非充气轮胎承载性能和气动特性研究
关键词：	非充气轮胎;扇叶轮辐式;承载性能;气动特性
摘要：	非充气轮胎改变了轮胎必须由压缩空气提供支撑的方法，取而代之的是轮胎与轮辋一体化设计。与充气轮胎相比具有免充气、防泄露、防爆胎、易加工成型等特点，特别适合野外驾驶，因而得到了越来越广泛的研究。但由于结构方面的问题，存在着容易使异物进入、空气阻力大、胎噪音大等缺点，同时由于非充气轮胎的结构参数对车轮滚动阻力、接地压力分布和垂向刚度等性能有较大影响，为了使新型的非充气轮胎更好地应用于车辆，本文以扇叶轮辐式非充气轮胎为研究对象，对其承载性能、气动噪声和气动特性展开了分析研究，优化轮胎的结构性能参数，从而达到增强行驶平顺性和降低空气阻力的目的。　　通过CATIA软件建立扇叶轮辐式非充气轮胎的原始模型，主要包括了扇叶型轮辐、剪切带、弹性胎面和轮毂。侧向倾斜的轮辐可以增加轮胎的排泄能力，刚性轮毂能对车轮整体起到支撑功能。运用ABAQUS软件建立有限元模型，赋予超弹性聚氨酯材料属性，对轮胎作静力学仿真，得到5000N额定载荷下轮胎应力云图、下沉量、径向刚度，将额定载荷下的径向下沉量作为判断承载性能的指标。使用ANSYS软件对原始模型固有频率进行分析，得到轮胎振动位移变形和振动频率。　　通过Fluent软件建立轮胎外流场进行CFD数值模拟，对轮胎气动特性和气动噪声仿真模拟。采用Realizable k-ε模型计算轮胎不同工况下的气动特性，探究不同行驶条件(行车速度、航向角、侧倾角)对轮胎气动特性的影响，并研究非充气轮胎对整车气动特性的影响。研究表明:随着行驶速度增加，气动力增大;随着车轮航向角增大，气动系数减小，气动阻力增加;而气动力受外倾角的影响不大;扇叶轮辐式非充气轮胎的装配会增加整车模型的空气阻力，且对气动升力影响较大。采用LES大涡模拟和FW-H模型对轮胎模型进行气动噪声模拟，得到静止和旋转工况下轮胎的噪声数据和声压级频谱图，验证了轮胎噪声的来源主要是旋转噪声和涡流噪声。　　探究了扇叶轮辐数量、厚度、曲率、偏转角、排列方式等结构参数对轮胎承载性能和气动特性的影响，为轮辐结构参数优化提供理论支撑。研究结果表明:增加轮辐数量、增大轮辐厚度、降低轮辐曲率、增大侧向偏转角度可以提高轮胎的承载能力，采用错位排列方式和单轮辐会削弱轮胎的承载能力。轮辐数量、厚度、曲率、偏转角对轮胎气动特性的影响较小，而轮辐若采用错位排列方式和单轮辐会大大增加气动系数，不利于轮胎的降阻优化。　　根据单个因素的仿真结果，设计了4因素3水平的正交试验，以轮胎的下沉量、气动阻力、气动升力作为正交试验评价标准，通过极差分析法得出性能最优组合模型。　　最后进行了风洞试验来验证数值模拟。按照1比3的比例缩小轮胎模型，经3D打印制成实物模型。以直流吸气式教学风洞为试验平台，研究风速和风向角对轮胎气动特性，验证了本文轮胎气动特性仿真结果的准确性，为优化非充气轮胎结构从而降低空气阻力提供试验依据。
作者：	徐逸伦
专业：	车辆工程
导师：	李红;曹德章
授予学位：	硕士
授予学位单位：	扬州大学
学位年度：	2022