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原文传递轮胎性能协同提升的复合仿生设计方法研究

论文题名：	轮胎性能协同提升的复合仿生设计方法研究
关键词：	汽车轮胎;抓地参数;耐磨性能;滑水性能;仿生学设计
摘要：	轮胎是路面与轮式车辆直接接触的唯一部件，其性能左右着车辆的动力性、经济性、制动性、操稳性及安全性等诸多整车性能。然而轮胎诸多性能之间存在一定的不相容性，即使通过改善轮胎组成材料配方也难以有效解决。目前，仿生学设计方法已在许多工程技术领域得到成功应用，取得了许多重要的研究成果。本文以提升轮胎的抓地、耐磨和滑水性能为研究目标，在明确各性能影响因素的基础上，选取具有优良接地特性的家猫爪垫垫及具有良好流体域减阻特性的鲨鱼表皮为仿生模本，以某205/55R16型轮胎为研究对象，对轮胎胎面几何及花纹沟展开复合仿生设计，以期突破三性能之间的矛盾，达到协同提升的目的。　　首先，选择具有优良抓地能力的家猫为研究对象，对其爪垫抓地参数进行研究。采用Tekscan Walkway压力分布测试仪与Olympus i-Speed高速相机测量家猫在较宽速度范围内的爪垫峰值接地压力、冲量、接地时长和接地面积等参数。通过Mann-Whitney检验、Pearson相关分析以及回归分析等统计分析方法，获得家猫爪垫的峰值接地压力、冲量、接地时间和接地面积等参数对速度的变化规律。这些规律揭示了猫运动时，通过对各接地参数的调节以保证不同的速度时的可靠抓地。为明晰家猫爪垫的结构特征，采用Konica Minolta VIVID910型3D激光扫描仪获得家猫爪垫掌枕和趾枕自由曲面的精确三维表面形貌，并通过逆向工程分析软件Imageware对所获得的点云数据进行初步处理，为进一步的仿生设计提供基础数据。　　其次，以家猫爪垫接地信息及3D扫描测得几何数据为基础，通过分析各趾垫接地压力变化，发现第三趾枕接地时间最长，承受最高接地压强，同时该趾的接地压力分布十分均匀，且前爪掌垫的接地压力在不同速度下均最大且接地压力分布均匀，这一特性有利于抓地与耐磨。在此基础上，根据猫爪几何3D扫描数据，建立了猫爪三维几何模型，通过猫爪材料压缩试验获取猫爪材料的本构关系，建立了猫爪接地特性的有限元分析模型。采用接地压力试验与Abaqus有限元仿真软件相结合的方法，探究猫爪接地压力特性，并揭示了猫爪优良接地性能的机理。研究表明，在猫爪材料属性基础上，其独特外型几何结构是实现优良接地性能的最重要因素。这为轮胎结构仿生设计提供了思路。　　再次，根据猫爪优良接地特性机理，选取前爪垫第三趾枕横向切面曲线为仿生模型，进行2.75-18型摩托车轮胎胎面弧仿生设计。对比摩托车样胎及仿生胎在静态、制动及转向时的接地面积、接地压力分布及接地区摩擦能量损失率等参数。结果表明，在以上三种工况下，仿生胎的接地面积均大于原始样胎，且仿生胎的峰值接地压力均小于原始样胎；在制动及转向工况下，仿生胎的接地区摩擦能量损失率均低于原始样胎，表明仿生胎在抓地性能提升的同时降低了磨损。为进一步说明这种仿生的有效性，将猫前爪掌垫表面弧曲线结构特性移植于205/55R16型轮胎面弧设计。对比样胎及仿生胎在静态、制动、侧偏及侧倾工况的接地面积、接地压力分布、抓动力、峰值接地压力、接地压力偏度值及摩擦能量损失率等参数。结果表明，仿生胎的接地面积和抓地力均大于原始样胎，而峰值接地压力、接地压力偏度值、接地区摩擦能量损失率均小于样胎。仿家猫爪垫掌垫轮胎提高了轮胎的抓地能力的同时降低了磨损，实现了轮胎抓地及耐磨性能的协同提升。　　最后，基于复合仿生设计理念，在仿猫爪掌垫205/55R16轮胎胎冠基础上，选择具有良好流体减阻特性的鲨鱼皮表面盾鳞作为原型，设计具有非光滑沟槽结构的复合仿生轮胎。运用计算流体力学方法分析了仿生非光滑沟槽在不同水流速度下的减阻效果，从剪切应力、流场速度及湍动能等多方面揭示非光滑沟槽结构的减阻机理。结果表明，与光滑纵沟轮胎相比，仿生胎纵沟的平均动水压力及静水压力均降低，平均水流速度提高，接地前缘高静压区域减小，临界滑水速度提高9.1%。通过以上复合仿生设计的轮胎，实现了抓地、耐磨及滑水性能的协同提升。
作者：	王国林
专业：	车辆工程
导师：	刘从臻
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022