基于有限元方法的輪胎磨損特性研究

葉樹斌，臧孟炎

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

基于有限元方法的輪胎磨損特性研究

葉樹斌，臧孟炎

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

在基于有限元法的輪胎磨損性能評價方法的基礎(chǔ)上，建立了205/55/R16型子午線輪胎2種胎面結(jié)構(gòu)的有限元模型。使用ABAQUS軟件的顯式分析方法獲得輪胎接地區(qū)域節(jié)點在汽車行駛過程9種工況下的法向反力和滑移速度，通過摩擦能量損失和磨損量之間的關(guān)系，求得輪胎在組合工況下行駛特定里程的磨損量。光面輪胎的磨損量明顯小于花紋輪胎磨損量的仿真分析結(jié)果，說明了仿真分析方法的有效性。同時，通過對ABAQUS軟件的二次開發(fā)，實現(xiàn)了輪胎接地區(qū)域摩擦能量損失率分布的實時描述。

子午線輪胎；磨損特性；有限元方法；ABAQUS；二次開發(fā)

輪胎磨損是輪胎與路面等表面發(fā)生相對運動時，由于機械作用與化學反應等引起其表層材料不斷損耗的現(xiàn)象。輪胎磨損性能直接關(guān)系到輪胎的使用性能與使用壽命，并且影響車輛行駛的經(jīng)濟性、舒適性、操縱穩(wěn)定性等。因此，研究分析輪胎的磨損具有重要的理論與指導意義。

輪胎磨損現(xiàn)象非常復雜，受駕駛員操作習慣、操縱條件、汽車行駛環(huán)境、輪胎結(jié)構(gòu)和橡膠材料性能等各種因素影響，磨損機理至今還沒有完全探明，對磨損進行準確預測更是難以實現(xiàn)[1-2]。目前，輪胎的磨損試驗，包括室內(nèi)試驗與室外試驗，所需要花費的時間與成本都非常巨大，嚴重制約著輪胎的設(shè)計效率和可靠性[3]。

本文在基于有限元法的輪胎磨損性能評價方法[4-5]的基礎(chǔ)上，建立了205/55/R16型子午線輪胎2種胎面結(jié)構(gòu)、對應汽車行駛過程9種工況、可預測輪胎均勻磨損性能的有限元模型[6-7]。使用ABAQUS軟件的顯式分析方法獲得輪胎接地區(qū)域節(jié)點法向反力[8]和滑移速度之后，通過摩擦能量損失和磨損量之間的關(guān)系，求得輪胎在組合工況下行駛特定里程的磨損量。

1 輪胎磨損量的計算方法

汽車輪胎磨損試驗是一個漫長的過程，利用有限元法對整個過程進行仿真分析既無法實現(xiàn)，也不具有實際的工程意義。本文使用韓國釜山大學Cho J.R.等提出的、基于有限元法的輪胎均勻磨損量評價方法[4]，將汽車行駛過程簡化為9種工況,即左轉(zhuǎn)加速、左轉(zhuǎn)巡航、左轉(zhuǎn)制動、直線加速、直線巡航、直線制動、右轉(zhuǎn)加速、右轉(zhuǎn)巡航、右轉(zhuǎn)制動。每種行駛工況可以得到一組載荷條件，用有限元法分別仿真計算各種工況下輪胎滾動一圈的磨損量，然后將各種工況在汽車特定行駛里程中(本文定義為80 000km)發(fā)生的頻率作為權(quán)重因子，計算輪胎總磨損量。

(1)

式中：μi是輪胎接地區(qū)域內(nèi)節(jié)點的摩擦系數(shù)。

(2)

(3)

(4)

汽車行駛80 000km單個輪胎的磨損量Wtot和平均磨損深度H由式(5)和式(6)求得：

(5)

(6)

2 輪胎磨損模型建立

使用上述計算方法，以兩種胎面結(jié)構(gòu)的205/55/R16型子午線輪胎，即圖1所示的左右非對稱變節(jié)距花紋[9]和光面輪胎為研究對象，仿真分析它們磨損量的大小。

圖1 胎面花紋的幾何模型

光面輪胎在結(jié)構(gòu)上具有軸對稱特點，因此模型中胎面與輪胎主體可通過共節(jié)點實現(xiàn)網(wǎng)格的劃分。但是圖1所示的胎面花紋比較復雜，胎面與胎體共節(jié)點難以實現(xiàn)對輪胎全部網(wǎng)格的劃分，因此本文分別對花紋與胎體進行網(wǎng)格劃分，將兩者組裝后在胎面花紋和輪胎主體的結(jié)合面添加固結(jié)約束，獲得花紋輪胎的有限元網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 花紋輪胎的有限元網(wǎng)格

在完成網(wǎng)格劃分之后，需要分別定義材料、截面屬性、接觸和載荷條件等。使用rebar加強型單元嵌入橡膠基體單元的方法模擬鋼絲簾線層對輪胎橡膠的增強作用[10]，鋼絲簾線使用線彈性材料，橡膠材料使用Yeoh本構(gòu)關(guān)系模型[11]，泊松比定為0.495。

輪胎磨損室外試驗中，要描述車輛行駛歷程特征，需測量車輛質(zhì)心處的4個信號，即質(zhì)心處縱向加速度、橫向加速度、法向加速度及車輛前進方向速度。在實際應用中，通常由一個三維加速度計、一個非接觸式雷達速度傳感器和一臺數(shù)據(jù)采集器來完成。在車輛行駛速度和路徑固定的情況下，車輛加速度也就與駕駛者、車輛種類等無關(guān)，此時輪胎磨損只與行駛距離有關(guān)。因此，將上述路試所測的數(shù)據(jù)，編寫成駕駛文件后，輸入到多體動力學軟件ADAMS中進行仿真分析，即可輸出各種工況下輪胎的垂直載荷FV、側(cè)向力FH、力矩TW以及外傾角θC等載荷參數(shù)。

由于缺乏實車的路試試驗參數(shù)，本文直接采用文獻[12]“還原分析法”得到的各工況輪胎載荷，以這4個載荷參數(shù)描述行駛過程中左前輪的各種工況，見表1。

表1 9種工況加載數(shù)據(jù)

輪胎磨損有限元分析全過程分為3步：準備階段(輪輞安裝、輪胎充氣和自重加載)；輪胎加速至額定的速度(本文為60km/h)；添加表1中相應的工況載荷，輪胎在穩(wěn)定狀態(tài)下滾動一圈。

由表1可知，直線巡航工況的權(quán)重因子最大，這表明室外磨損試驗中，測試車輛保持直線勻速行駛工況所占的比例最多，而直線加速、直線制動、左轉(zhuǎn)巡航和右轉(zhuǎn)巡航工況所發(fā)生的概率差不多，剩余其他工況的權(quán)重因子均很小，這符合汽車道路行駛的一般規(guī)律。另外值得注意的是，這里的“直線巡航工況”是在工況簡化的過程中對加速度絕對值小于或等于0.06g的區(qū)域的一個統(tǒng)稱，并不是通常意義上的“勻速行駛”，故在表1中，簡化后的直線巡航工況才會出現(xiàn)側(cè)向力不為0的情形。

3 輪胎磨損量計算結(jié)果及評價

利用輪胎在穩(wěn)定狀態(tài)滾動一圈所求得的各工況摩擦能量損失率，根據(jù)式(2)至式(6)可求出2款輪胎綜合9種工況的一圈磨損量、行駛80 000km的總磨損量和磨損深度，計算結(jié)果見表2。

表2 磨損量與平均磨損深度

由表2可知，輪胎磨損深度偏大，主要原因在于輪胎模型與各工況載荷的不匹配。但是，光面輪胎的磨損量明顯小于花紋輪胎磨損量說明了輪胎磨損模型的構(gòu)建和仿真分析方法的有效性。要獲得更為準確的磨損量仿真分析結(jié)果，有待今后進一步做好前期研究工作，獲得與輪胎模型對應的載荷工況。

4 輪胎接地區(qū)域磨損均勻性描述

輪胎磨損的均勻性是汽車企業(yè)和輪胎企業(yè)非常關(guān)注的指標。因此，本文通過對ABAQUS軟件的二次開發(fā)，實現(xiàn)了輪胎接地區(qū)域摩擦能量損失率分布的描述，以幫助相關(guān)設(shè)計和研究人員實現(xiàn)對輪胎磨損均勻性的仿真評價。

首先，使用ABAQUS腳本接口功能，用Python語言編寫相關(guān)程序指令[13]，從ABAQUS軟件的輪胎磨損有限元分析輸出數(shù)據(jù)庫文件(即odb文件)中提取接地區(qū)域內(nèi)的節(jié)點接觸法向反力和節(jié)點滑移速度等數(shù)據(jù)，由式(1)得到接地區(qū)域各節(jié)點摩擦能量損失率。

然后，定義摩擦能量損失率變量并將相應的計算結(jié)果寫入輸出數(shù)據(jù)庫文件中，獲得各種工況下的接地區(qū)域摩擦能量損失率分布云圖。圖3是光面輪胎與花紋輪胎在左轉(zhuǎn)加速工況下的摩擦能量損失率分布云圖。

圖3 左轉(zhuǎn)加速工況接地區(qū)域摩擦能量損失率分布云圖

5 結(jié)束語

本文使用基于有限元的輪胎均勻磨損量計算方法，以205/55/R16型子午線輪胎為研究對象，仿真研究了2種胎面結(jié)構(gòu)輪胎在組合工況下80 000km的磨損狀況。盡管輪胎各工況載荷條件和權(quán)重因子直接采用參考文獻的數(shù)據(jù)，但是光面輪胎的磨損量明顯小于花紋輪胎的仿真計算結(jié)果，說明了輪胎磨損仿真分析方法的有效性。同時，通過二次開發(fā)，實現(xiàn)了輪胎接地區(qū)域摩擦能量損失率分布的實時描述。

接下來將通過實施道路磨損試驗或室內(nèi)磨損試驗，獲得磨損仿真分析用輪胎的實際載荷參數(shù)，進行更精確的磨損仿真分析，以服務(wù)于輪胎磨損性能的評價和優(yōu)化設(shè)計。

[1] 黃海波,靳曉雄,丁玉蘭. 輪胎偏磨損機理及數(shù)值解析方法研究[J]. 同濟大學學報: 自然科學版, 2006, 34(2): 234-238.

[2] 彭旭東，謝友柏，郭孔輝. 輪胎摩擦學的研究與發(fā)展[J]. 中國機械工程，1999(2)：215-219.

[3] 莊繼德.汽車輪胎學[M].北京：北京理工大學出版社，1997.

[4] Cho J R, Choi J H, Kim Y S. Abrasive wear amount estimate for 3D patterned tire utilizing frictional dynamic rolling analysis [J]. Tribology International, 2011，44：850-858.

[5] Cho J R, Shin S W, Yoo W S. Crown shape optimization for enhancing tire wear performance by ANN [J]. Computers & Structures, 2005, 83(12): 920-933.

[6] 臧孟炎，許玉文，周濤.三維非線性輪胎的五剛特性仿真[J].華南理工大學學報：自然科學版, 2011, 39(1): 129-133.

[8] 丁劍平,賈德民,黃小清,等.三維非線性有限元法在子午胎分析中的應用[J].華南理工大學學報：自然科學版,2005,33(9):55-58.

[9] 陸波.干燥路面輪胎制動距離的FEM仿真分析[D].廣州：華南理工大學,2011.

[10] 臧孟炎, 陸波，陳玉祥.干燥路面上輪胎制動距離的FEM仿真[J].汽車工程, 2011, 33(2):156-161.

[11] Yeoh O H. Characterization of elastic properties of carbon black filled rubber vulcanizates [J]. Rubber Chemistry and Technology, 1990, 63(5)：792-795.

[12] Zheng D. Prediction of tire tread wear with FEM steady state rolling contact simulation[J]. Tire Science and Technology，2002,31(3): 189-202.

[13] 曹金鳳，王旭春，孔亮. Python語言在ABAQUS中的應用 [M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2011.

ResearchonTireWearPropertiesBasedonFEM

YE Shubin, Zang Mengyan

(South China University of Technology, Guangdong Guangzhou, 510640, China)

It introduces the method of tire wear performance assessment on the basis of FEM, uses finite element models of 205/55/R16 radial tire with three tread patterns to rolling simulation under nine loading conditions. Based on ABAQUS it obtains the nodal contact force and the nodal slip rate between the tread and ground, figures out the tread wear amount of the tire after traveling 80000 kilometers via taking advantage of the relationship between frictional energy dissipation and wear amount. The wear amount of the slick tire is less than that of the patterned tire. Finally it shows the secondary development technology for the post-processing technique of the ABAQUS and contour plots of the frictional energy dissipation rate.

Radial Tire; Wear Performance; FEM; ABAQUS; Secondary Development

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.07.002

2014-06-05

國際科技合作資助項目(2013DFG60080)

葉樹斌(1990—)，男，廣東云浮人，華南理工大學碩士研究生，主要從事汽車CAE方向的研究。

U463.341

A

2095-509X(2014)07-0006-04