新型雙剛圈航空輪胎的仿真研究

劉肖英，何雪濤，張金云，楊衛(wèi)民，王若云，丁玉梅

（北京化工大學 機電工程學院，北京 100029）

飛機的著陸過程通常包括下滑、拉平、平飛、飄落和滑跑5個階段，著陸至飄落階段后航空輪胎在負荷大、速度高、下沉量大、變形大和充氣壓力高的工況下開始工作，飛機飄落過程對應著航空輪胎在徑向載荷作用下以一定速度沖擊路面的過程，飛機的滑跑階段初始速度一般為288 km·h-1，對應輪胎的工作狀態(tài)是以288 km·h-1初始水平速度開始的制動過程，飄落過程是瞬間完成的，而滑跑過程則相對持續(xù)很長一段時間，輪胎以接近完全滑動的狀態(tài)完成制動過程。飛機滑跑過程對航空輪胎性能提出了嚴峻的考驗，此階段航空輪胎很容易由于高溫生熱和劇烈磨損產(chǎn)生胎面膠點狀磨損、撕裂破損和胎面剝離等破壞形式[1]，甚至有爆胎的危險，因此，分析研究航空輪胎在飛機滑跑過程中的力學性能，并針對現(xiàn)有輪胎的薄弱之處研發(fā)設計耐磨、抗沖擊的新型航空輪胎具有重大意義。

目前，輪胎行業(yè)研究人員針對相關問題展開了大量的研究工作，臧孟炎等[2]對配有ABS系統(tǒng)的汽車輪胎在濕滑路面上的制動距離進行了仿真研究，利用ABAQUS軟件對干濕路面輪胎制動性能仿真結果進行比較，驗證了輪胎濕滑路面制動性能仿真評價方法的有效性。應卓凡[3]利用ABAQUS軟件仿真分析制動時輪胎的接地摩擦力特性，得出純制動工況時縱向摩擦力與滑移率的關系以及側偏/制動聯(lián)合工況時橫向摩擦力與縱向摩擦力的特性。本工作以46/17R20航空子午線輪胎和一種新型高性能新概念輪胎——雙剛圈航空輪胎為研究對象，利用有限元方法研究分析不同結構的雙剛圈航空輪胎與傳統(tǒng)輪胎在靜載荷和全制動工況下的力學性能，以期為試驗輪胎的制作和新型輪胎的開發(fā)提供指導，并奠定一定的理論基礎。

1 實驗

1.1 幾何模型

46/17R20航空輪胎的骨架材料結構如圖1所示，主要由錦綸胎體簾布層、錦綸帶束層、胎圈鋼絲以及芳綸冠帶層四部分組成。其中，胎體簾布層由從內(nèi)到外繞胎圈反包高度逐漸增大的4層反包簾布層以及正包高度大致相同的2層正包簾布層組成；帶束層由8層沿胎面寬度方向長度不同的錦綸簾布層組成，簾布長度由內(nèi)到外依次減小，帶束層簾線與輪胎子午方向夾角為75°，相鄰兩層帶束層交叉排列；胎圈部位直徑較小的胎圈鋼絲以環(huán)形陣列緊密圍繞在中間一根直徑較大的鋼絲周圍，整體圍繞成圓形斷面，鋼絲與鋼絲之間沒有掛膠；冠帶層是1層芳綸簾布，位于帶束層外側，用來箍緊輪胎并緩沖飛機著陸時與地面的沖擊。

圖1 46/17R20航空輪胎

雙剛圈航空輪胎如圖2所示，其與傳統(tǒng)航空輪胎不同之處在于雙剛圈航空輪胎利用1層模量很大的碳纖維高分子材料替代傳統(tǒng)航空輪胎的錦綸或者芳綸帶束層及帶束層掛膠。剛性材料是外剛圈，輪輞是內(nèi)剛圈，碳纖維高分子材料的抗拉強度和彈性模量遠遠高于鋼絲簾線，密度卻只有鋼絲簾線的1/4，因此雙剛圈航空輪胎具有低密度、低滾動阻力、耐磨、抗沖擊和抗刺扎等優(yōu)點[4]。

圖2 雙剛圈航空輪胎

1.2 有限元模型

雙剛圈航空輪胎的建模方法與傳統(tǒng)航空輪胎相同，先在ABAQUS軟件CAE模式下對二維幾何模型進行材料屬性賦予和網(wǎng)格劃分得到二維有限元模型，如圖3和4所示，然后編寫程序語言input文件，其中語句包括模型旋轉命令，充氣、靜載荷、全制動工況分析命令以及結果輸出定義命令等，利用input文件調(diào)用二維有限元模型，完成三維模型建立、充氣和沖擊工況的有限元分析及有限元分析結果的輸出。分析中主要載荷包括充氣壓力（1 MPa）和徑向集中載荷（30 kN）?？紤]到橡膠基體材料的超彈性和不可壓縮性，選用CGAX4H對稱實體雜交單元，胎體和帶束層等骨架材料選用SFMGAX1型線性單元，并以rebar層的形式嵌入到橡膠基體中，利用interaction命令將橡膠基體材料和骨架材料聯(lián)系成一個有機整體。

圖3 傳統(tǒng)46/17R20航空輪胎的二維有限元模型

圖4 雙剛圈航空輪胎的二維有限元模型

橡膠材料具有超彈性、不可壓縮性和大變形等特點，其應力-應變關系表現(xiàn)為明顯的非線性，目前比較完善的橡膠本構模型是Yeoh材料模型（考慮剪切模量隨變形變化），一般用該模型來描述橡膠的力學行為，其應變能函數(shù)如下[5]：

式中W為應變能；A10，A20和A30是測量得到的材料常數(shù)，通過修改3個系數(shù)來表征不同的橡膠材料；I1是主伸長比的第一不變量，λi（i=1，2，3）為3個主伸長比。

1.3 方案

建立46/17R20航空輪胎（方案A）以及3種外剛圈軸向長度不同的雙剛圈航空輪胎模型，并將3種雙剛圈航空輪胎按外剛圈軸向長度由小到大的順序定義為雙剛圈航空輪胎1，2和3模型，分別為方案B，C和D。在載荷和邊界條件完全相同的條件下對4種航空輪胎模型進行靜載荷和全制動工況有限元分析，根據(jù)后處理結果分析雙剛圈航空輪胎的力學性能優(yōu)越性以及外剛圈軸向長度對其性能的影響。

2 有限元分析結果

2.1 靜載荷工況

輪胎剛度特性是指作用在輪胎上的載荷與對應的變形之間的關系[6]。航空輪胎工作過程中較少涉及轉向和橫向載荷，因此本研究主要針對輪胎的徑向剛度和縱向剛度。

徑向剛度是影響輪胎承載能力和乘坐舒適性能的重要特征參數(shù)。圖5示出了4種航空輪胎的徑向剛度曲線。從圖5可以看出，3種雙剛圈航空輪胎徑向剛度明顯大于傳統(tǒng)航空輪胎，方案D輪胎徑向剛度比方案A輪胎提高了61.7%，即雙剛圈航空輪胎的承載能力顯著提高，能夠減少由于輪胎剛度低引起的制動過程中兩側胎肩磨損過快的問題。另外，方案B，C和D雙剛圈航空輪胎的徑向剛度與外剛圈軸向長度成正比，即外剛圈軸向長度越大，輪胎承載能力越好。

圖5 4種航空輪胎的徑向剛度曲線

輪胎的縱向剛度是影響輪胎制動性能的重要因素，尤其是對于幾乎完全處于滑動狀態(tài)的航空輪胎，其縱向剛度性能更加重要。圖6示出了4種航空輪胎的縱向剛度曲線。從圖6可以看出，方案A航空輪胎的縱向剛度最大，其次是方案C和B輪胎，方案D輪胎縱向剛度最小。與方案A輪胎相比，方案C輪胎的縱向剛度降低了13%。雙剛圈航空輪胎的縱向剛度隨外剛圈軸向長度的增大呈先增大后減小的趨勢。綜合考慮輪胎的徑向和縱向剛度，方案C輪胎是結構比較合理的雙剛圈航空輪胎，其承載能力明顯提高，變形小，生熱低，綜合優(yōu)勢明顯。

圖6 4種航空輪胎的縱向剛度曲線

2.2 制動工況

以288 km·h-1初始水平速度對輪胎減速全制動工況進行分析。胎面膠的等效應力分布能夠直觀地反映接地區(qū)域胎面膠的受力情況。圖7示出了傳統(tǒng)航空輪胎的等效應力云圖。從圖7可以看出胎面膠的等效應力分布規(guī)律，即傳統(tǒng)航空輪胎肩部橡膠出現(xiàn)等效應力峰值點，冠部膠應力明顯小于該峰值。

圖7 傳統(tǒng)航空輪胎的等效應力云圖

圖8定量示出了4種航空輪胎胎面膠沿紅色直線（見圖7）各節(jié)點的等效應力數(shù)值關系。從圖8可以看出：方案A，B，C和D航空輪胎等效應力最大值分別為1.153 4，1.192 3，1.168 63和1.799 7 MPa，方案A，B和C輪胎最大等效應力相差不多，方案D輪胎明顯大于前三者，方案A輪胎等效應力最大值點在胎肩部位，而雙剛圈航空輪胎最大值均出現(xiàn)在胎冠中心點處，胎肩無應力集中，因此綜合考慮等效應力值及總體分布，方案B和C輪胎是結構比較理想的雙剛圈航空輪胎，能夠明顯改善制動過程中出現(xiàn)的肩部應力集中現(xiàn)象，減少磨肩、磨冠等現(xiàn)象的發(fā)生。

圖8 4種航空輪胎胎面膠等效應力分布

輪胎接觸壓力分布是影響輪胎耐磨、制動以及通過性能的重要指標，行駛過程中輪胎的磨冠和磨肩等不正常磨損現(xiàn)象是由于接觸壓力分布不均勻直接引起的。圖9示出了傳統(tǒng)航空輪胎的接觸壓力云圖。圖10定量示出了4種航空輪胎的接觸壓力沿紅色直線（見圖9）上各節(jié)點的等效應力分布規(guī)律。從圖10可以看出：方案A，B，C和D輪胎接觸壓力最大值分別為0.819 67，1.368 89，1.475 83和1.603 28 MPa，雙剛圈航空輪胎的接觸壓力明顯大于傳統(tǒng)航空輪胎；方案B，C和D輪胎的接觸壓力分布規(guī)律完全相同，且接觸壓力最大值與外剛圈軸向長度成正比?？傊?，雙剛圈航空輪胎的接觸壓力在分布規(guī)律和均勻性方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)航空輪胎，并且外剛圈軸向長度越大，接地性能優(yōu)異性越明顯，能夠很大程度上提高航空輪胎的耐磨和制動性能。

圖10 4種航空輪胎的接觸壓力的等效應力分布

制動工況下傳統(tǒng)航空輪胎沿縱向剪切方向的接觸壓力云圖如圖11所示，圖中左右2條黃色線分別定義為L1和L2，分別為滾動后方和前方區(qū)域兩個相反方向的剪切接觸壓力區(qū)域中心線，滾動前方剪切壓力向前，滾動后方剪切壓力向后，即滾動后方橡膠主要起降低速度的作用。

圖11 傳統(tǒng)航空輪胎沿縱向剪切方向的接觸壓力云圖

圖12和13分別示出了4種航空輪胎沿L1和L2的縱向剪切接觸壓力分布曲線。L1上各節(jié)點縱向剪切接觸壓力作為一種阻礙輪胎制動效果的相互作用力。從圖12和13可以看出，A方案輪胎L1上各節(jié)點縱向剪切接觸壓力遠大于方案B，C和D輪胎，即路面對傳統(tǒng)航空輪胎向前縱向接觸壓力遠大于雙剛圈航空輪胎，而對于L2上各節(jié)點縱向接觸壓力，方案A輪胎明顯小于方案B，C和D輪胎，L2上各節(jié)點縱向接觸壓力方向指向滾動后方，因此接觸壓力越大，越有利于輪胎的減速過程，即雙剛圈航空輪胎在滾動前后方區(qū)域縱向接觸壓力分布和數(shù)值方面優(yōu)于傳統(tǒng)航空輪胎，減速更快，制動性能優(yōu)異。

圖12 4種航空輪胎沿L1的縱向剪切接觸壓力分布曲線

3 結論

圖13 4種航空輪胎沿L2的縱向剪切接觸壓力分布曲線

（1）與傳統(tǒng)航空輪胎相比，雙剛圈航空輪胎的徑向剛度顯著提高，縱向剛度略有下降，綜合考慮徑向和縱向剛度，方案C輪胎較優(yōu)。

（2）雙剛圈航空輪胎胎面等效應力分布規(guī)律明顯優(yōu)于傳統(tǒng)航空輪胎，可以明顯改善傳統(tǒng)航空輪胎肩部橡膠應力集中的現(xiàn)象，減少磨肩和磨冠現(xiàn)象。

（3）雙剛圈航空輪胎胎面徑向和縱向接觸壓力明顯大于傳統(tǒng)航空輪胎，且接觸壓力值與外剛圈軸向長度大致成正比，僅考慮輪胎接觸性能，D方案輪胎的接地性能和制動性能最優(yōu)。雙剛圈航空輪胎的承載能力、接地性能和制動性能均優(yōu)于傳統(tǒng)航空輪胎，綜合考慮外剛圈軸向長度適中的方案C輪胎性能最優(yōu)。