凹坑型仿生輪胎花紋降噪分析

摘 要：本文基于乘用車輪胎205/55R16為研究對(duì)象，以胎體結(jié)構(gòu)和橡膠材料固定不變?yōu)榍疤?，提取滾動(dòng)輪胎花紋溝體積變形信息作為噪聲分析的邊界條件。結(jié)合有限元分析、計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算聲學(xué)等方法，借鑒工程流體領(lǐng)域仿生非光滑減阻降噪設(shè)計(jì)理念，將凹坑型非光滑結(jié)構(gòu)移植到輪胎花紋溝壁設(shè)計(jì)中。分別對(duì)比光滑壁面的花紋溝噪聲和凹坑型非光滑的花紋溝噪聲的數(shù)值仿真分析，通過對(duì)花紋噪聲聲壓對(duì)比，結(jié)果表明凹坑非光滑結(jié)構(gòu)的存在影響著花紋內(nèi)部氣流流動(dòng)狀態(tài)，降低了渦量，從而減小了花紋噪聲的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：花紋噪聲 非光滑結(jié)構(gòu) 流體渦量 降噪

中圖分類號(hào)： TQ336 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)1672-3791（2015）07（c）-0000-00

歐盟輪胎標(biāo)簽法的實(shí)施以及我國(guó)出臺(tái)的《綠色輪胎技術(shù)規(guī)范》對(duì)輪胎噪聲性能均提出了明確要求及限制等級(jí)。面對(duì)日益嚴(yán)苛的法規(guī)要求，研究低噪聲性能輪胎新技術(shù)迫在眉睫。然而，輪胎噪聲的發(fā)聲機(jī)理復(fù)雜，受多種因素相互影響，目前尚未有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)思路來指導(dǎo)輪胎低噪聲設(shè)計(jì)。事實(shí)上，輪胎花紋噪聲的產(chǎn)生不僅與花紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，而且與花紋溝槽內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也密切相關(guān)[1]。仿生非光滑結(jié)構(gòu)在工程流體領(lǐng)域的減阻降噪研究成果[2，3]，給本文花紋降噪提供了一個(gè)新的思路。因此，本文將凹坑型非光滑結(jié)構(gòu)引入到花紋壁面設(shè)計(jì)，通過采用有限元分析和計(jì)算聲學(xué)分析相結(jié)合的方法，對(duì)凹坑型仿生花紋噪聲進(jìn)行降噪分析。

1輪胎花紋噪聲仿真模型建立與分析

1.1輪胎有限元模型的建立

本文以205/55R16半鋼子午線輪胎為研究對(duì)象，其額定載荷4000N，額定充氣壓力0.24MPa。輪胎建模時(shí)，橡膠材料模型采用YEOH本構(gòu)模型，橡膠—簾線采用Rebar單元模型，橡膠單元分別采用C3D8R和C3D6，鋼絲簾線采用SFM3D4R來模擬。其中，輪胎胎體結(jié)構(gòu)和胎面花紋采用TIE命令進(jìn)行組合建模。輪胎模型如圖1所示。

圖1 輪胎有限元模型

1.2花紋噪聲模型的建立

為考慮花紋在輪胎滾動(dòng)過程中體積變化對(duì)花紋溝內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)和噪聲的影響，在Abaqus/Explicit求解器中對(duì)205/55R16輪胎模型進(jìn)行了瞬態(tài)求解，設(shè)定速度為80km/h，以單一節(jié)距為對(duì)象，提取在滾動(dòng)過程中花紋溝體積隨時(shí)間的變化信息，如圖2所示，將其作為花紋噪聲產(chǎn)生的邊界條件。由圖2可知，花紋溝槽在與輪胎接地過程中，花紋溝槽空間體積經(jīng)歷了先減小、后增大的變化過程，整個(gè)過程呈現(xiàn)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，整個(gè)滾動(dòng)過程中花紋溝體積變化為17.37%。

圖2花紋溝體積變化時(shí)域信息

輪胎花紋噪聲模型長(zhǎng)度遵循輪胎靜態(tài)加載獲得的接地長(zhǎng)度120mm，但是考慮到計(jì)算效率的原因，本文采取接地長(zhǎng)度一半，即以60mm作為分析對(duì)象，如圖3所示?？紤]到滾動(dòng)輪胎周圍實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)，在橫溝出口區(qū)域建立一個(gè)附加的空氣流動(dòng)區(qū)域，一是能夠最大程度反映實(shí)際物理模型，二是能夠捕捉到橫溝花紋在擠壓過程中泵氣、吸氣時(shí)的出口流動(dòng)特性。最終確立所建立的附加空氣流域高度為2倍的花紋溝槽深度，寬度為0.8倍的橫溝長(zhǎng)度，長(zhǎng)度為165mm，網(wǎng)格單元全部采用結(jié)構(gòu)化六面體單元，如圖4所示。其中，定義在來流方向上的空氣域進(jìn)口、兩個(gè)縱向花紋溝槽為速度入口，速度為80km/h。氣流出口為一個(gè)大氣壓力出口，輪胎縱向花紋、橫向花紋氣流出口端和與之接觸的空氣域側(cè)壁設(shè)置為具有數(shù)據(jù)傳遞功能的Interface邊界條件，其余花紋模型表面均定位無滑移壁面。將溝槽體積變化等效認(rèn)為全部是由花紋溝槽底部變形運(yùn)動(dòng)完成，通過udf宏命令實(shí)現(xiàn)邊界條件的施加。

圖3 原始花紋結(jié)構(gòu)模型 圖4 花紋噪聲計(jì)算模型及邊界條件

1.3 凹坑型仿生花紋模型建立

本文將凹坑布置于花紋溝的側(cè)壁，輪胎在接地區(qū)內(nèi)花紋溝底部可近似為平面，其邊界層厚度可以參考平板湍流邊界層厚度公式來計(jì)算。本文中的流體介質(zhì)為空氣，氣流速度為70-100km/h，由此可以計(jì)算出邊界層的厚度約為0.9-1mm之間。本文所布置的凹坑非光滑結(jié)構(gòu)的尺寸必須在此范圍之內(nèi)。凹坑型結(jié)構(gòu)采用一字型排列分布在橫向花紋溝的側(cè)壁上，如圖5所示。

圖5 凹坑型仿生花紋結(jié)構(gòu)模型

1.4模型網(wǎng)格劃分

將不同花紋結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用分割的方法對(duì)子模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將花紋溝從上到下分割成幾個(gè)區(qū)域，布置有凹坑的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化，從上往下網(wǎng)格逐漸增大，采用四面體與三棱柱的混合網(wǎng)格來進(jìn)行劃分。在采用SST模型，邊界層內(nèi)網(wǎng)格數(shù)至少為15個(gè)，經(jīng)過反復(fù)嘗試，最終將第一層網(wǎng)格的尺寸取0.02m，增長(zhǎng)率為1.5，計(jì)算域最大網(wǎng)格尺寸為0.3mm，圖6為模型網(wǎng)格及凹坑表面網(wǎng)格局部放大圖。

圖6 凹坑表面網(wǎng)格及局部放大圖

2花紋噪聲結(jié)果對(duì)比分析

在選擇噪聲測(cè)點(diǎn)之間，首先對(duì)原始花紋溝流場(chǎng)進(jìn)行了分析，在流場(chǎng)穩(wěn)定分布的地方選擇四個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)，如圖7所示。采用FW-H方程的分別獲得原始花紋與凹坑型仿生花紋的聲壓級(jí)。結(jié)果表明凹坑表面的仿生花紋相比于原始的輪胎花紋在降噪方面，在輪胎噪聲峰值出現(xiàn)的800-1200Hz頻帶內(nèi)，最大降噪量可達(dá)2.5dB。

圖7 花紋溝槽內(nèi)部穩(wěn)態(tài)動(dòng)壓分布云圖及聲壓測(cè)點(diǎn)位置

圖8 不同花紋設(shè)計(jì)的測(cè)點(diǎn)總聲壓對(duì)比圖

圖9為仿生花紋溝凹坑內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)矢量圖，由圖9可以發(fā)現(xiàn)，在凹坑底部存在著類似“滾動(dòng)軸承”的流體，這樣就會(huì)減小流體與花紋壁面的摩擦力，增加流體運(yùn)動(dòng)速度，從而降低花紋溝槽內(nèi)渦量強(qiáng)度，通過將花紋溝內(nèi)大尺度渦轉(zhuǎn)化為小尺度的渦來實(shí)現(xiàn)噪聲降低。

圖9凹坑內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)特征

3結(jié)論

1、滾動(dòng)輪胎花紋在接地過程中，花紋溝體積變化呈現(xiàn)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，花紋溝槽空間體積經(jīng)歷了先減小、后增大的變化過程。

2、通過對(duì)原始花紋噪聲與凹坑型仿生花紋噪聲的對(duì)比分析，凹坑型非光滑結(jié)構(gòu)主要是通過影響花紋溝內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過將花紋溝內(nèi)大尺度渦轉(zhuǎn)化為小尺度的渦來實(shí)現(xiàn)噪聲降低。

3、本文提出的花紋溝凹坑非光滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為以后的低噪聲輪胎花紋設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路和突破點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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