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原文传递非充气新结构轮胎疲劳寿命数值模拟分析

论文题名：	非充气新结构轮胎疲劳寿命数值模拟分析
关键词：	非充气轮胎;气囊结构;疲劳寿命;数值模拟
摘要：	充气轮胎作为轮胎市场的主导设计，其易爆胎、不耐刺扎的缺陷使其存在一定的安全隐患。由此，兼顾充气轮胎的优势且抗爆胎的非充气轮胎应运而生。非充气轮胎采用弹性支撑体代替传统气囊结构，疲劳寿命成为这一新结构设计中至关重要的问题。　　材料疲劳的测试面临着成本高、周期长及复杂热力耦合条件下难以建立定量关系的缺陷。有限元分析法可以有效的解决实验测试的短板，是研究材料热力耦合疲劳的有效手段。本论文基于粘弹性机理和疲劳失效机理，采用Abaqus和Endurica联合仿真，开发出可实现非充气轮胎用关键橡胶部件-弹性支撑体的疲劳寿命的热力耦合分析方法。并对弹性支撑体部分几何参数对其疲劳寿命的影响程度进行了分析，为高疲劳寿命的非充气轮胎设计提供前期指导。主要研究工作分为以下三个部分：　　（1）以哑铃型试样的单轴拉伸疲劳寿命实验结果为对标数据，建立高精度热力耦合疲劳仿真分析方法。首先，通过单轴、平面和双轴拉伸回复测试数据确定超弹性本构模型及其参数；其次，通过实验建立滞后能与温度、应变和频率的关系，并拟合得到用于温度场的计算的Kraus自生热模型参数；最后，通过疲劳裂纹扩展速率测试（FCGR）结果，拟合得到Thomas疲劳模型相关参数，结合裂纹前兆体的计算值和温度场的计算结果进行迭代分析，得到样品在热力耦合作用下的疲劳寿命。与实验的比对表明，温度的仿真误差为3.3%。考虑热力耦合作用的平均疲劳寿命仿真结果误差仅为2.0%，与不考虑热力耦合作用的仿真结果相比误差减小了82.2%，验证了此热力耦合疲劳仿真方法的有效性。　　（2）采用（1）中的热力耦合疲劳分析方法对非充气轮胎的弹性支撑体进行仿真分析。首先对Tweel式非充气轮胎进行建模，使其径向刚度与对标的305/80R18充气轮胎的径向刚度接近。其次，理想的材料测试条件和仿真工况设置应与制品的服役工况相似，传统的FCGR测试多采用正弦加载模式。但轮胎在滚动时，周期内其应变加载情况更类似于脉冲加载模式。通过FCGR测试结果，我们发现与正弦加载模式相比，脉冲加载模式对应着更快的疲劳裂纹扩展速率和更高的动态温升量。因此，在FCGR测试和疲劳寿命仿真预测中，符合轮胎制品的加载工况应被予以关注。最后，对Tweel式非充气轮胎的弹性支撑体的滞后温升分析表明，初始温度为25.0℃，当温度场达到稳态时最高温度约为67.4℃，最高温度分布在弹性支撑体的中间弯曲处。热力耦合疲劳寿命分析表明，弹性支撑体的最小疲劳寿命分布在中间弯曲处和两端连接处，数值折合公里数为6348公里。　　（3）以Tweel式非充气轮胎弹性支撑体的热力耦合疲劳寿命为实验目的，以弹性支撑体的结构参数和加载工况为实验因素，建立六因素两水平正交实验。结果表明，Tweel式非充气轮胎弹性支撑体几何结构对其疲劳寿命影响重要程度依次为：向中心线外偏移角度、长度、曲率半径和向中心线内偏移角度。当轮胎的弹性支撑体几何尺寸相同时，承载力增加13%，其疲劳寿命减小约21.6%；轮胎转动速度增加13%，其疲劳寿命减小约27.8%。同时，与静态承载力相比，轮胎转动速度对Tweel式非充气轮胎弹性支撑体的疲劳寿命影响更大。
作者：	刘晨
专业：	材料工程
导师：	卢咏来;马勇
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京化工大学
学位年度：	2022