溝槽磨損對(duì)飛機(jī)輪胎滑水影響仿真分析

蔡 靖，許 諍

（中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300）

飛機(jī)在濕滑跑道滑行過(guò)程中的滑水現(xiàn)象是威脅飛機(jī)運(yùn)行安全的重要因素之一。輪胎滑水現(xiàn)象是指輪胎在高速駛過(guò)有積水的路面或道面時(shí)所受到積水產(chǎn)生的動(dòng)水壓力等于甚至超過(guò)軸載，使得輪胎與地面接觸力降低，失去操控性的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]表明，在眾多造成飛機(jī)沖/偏出跑道事故的影響因素中，跑道濕滑被認(rèn)為是最主要的影響因素之一。輪胎滑水現(xiàn)象最初在汽車輪胎領(lǐng)域被廣泛研究[2-3]，但由于飛機(jī)輪胎具有不同于汽車輪胎的特性，其擁有更大尺寸和更高胎壓，因此有必要針對(duì)飛機(jī)輪胎滑水現(xiàn)象進(jìn)行研究。

在輪胎滑水研究方面，飛機(jī)輪胎滑水現(xiàn)象最經(jīng)典的研究是20 世紀(jì)60年代由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）設(shè)計(jì)進(jìn)行的輪胎滑水試驗(yàn)[4]，通過(guò)設(shè)計(jì)飛機(jī)輪胎滑水試驗(yàn)裝置模擬飛機(jī)在積水道面高速行駛的過(guò)程，試驗(yàn)得到了輪胎滑水的影響因素為胎壓、水流速度、輪胎有無(wú)溝槽等，這個(gè)結(jié)論被廣大學(xué)者所接受；此后，Gilbert 等[5]設(shè)計(jì)了單輪胎滑水試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)道面粗糙度、輪胎胎紋深度、胎壓和載重等因素對(duì)輪胎滑水性能的影響展開了研究；Ong 等[6]Chim 等[7]通過(guò)建立輪胎滑水三維有限元模型，研究了飛機(jī)制動(dòng)系數(shù)與輪胎胎紋類型、胎壓之間的關(guān)系；吳華偉等[8]定性分析了不同起落架構(gòu)型輪胎與積水道面間的相互作用；趙鴻鐸等[9]通過(guò)設(shè)計(jì)摩擦系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)，研究了不同水膜厚度的瀝青道面摩擦系數(shù)，為輪胎滑水研究提供了參考；蔡靖等[10]運(yùn)用流體分析軟件Fluent 建立帶有縱向花紋的輪胎接地?cái)嗝娑S有限元模型，模擬輪胎受水流沖擊的過(guò)程。但這些學(xué)者對(duì)于飛機(jī)輪胎紋理因素的研究大都停留在胎面有無(wú)溝槽對(duì)輪胎滑水性能的影響，并沒(méi)有研究輪胎胎紋磨損對(duì)抗滑性能的影響。作為飛機(jī)最易損耗的部件之一，輪胎磨損帶來(lái)的安全隱患應(yīng)該被航空界所重視。

因此，針對(duì)飛機(jī)輪胎在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的胎紋磨損對(duì)輪胎滑水性能的影響，首先利用ABAQUS 有限元軟件，建立考慮溝槽磨損的飛機(jī)輪胎滑水有限元流固耦合分析模型；其次分析不同程度磨損的輪胎在駛?cè)敕e水區(qū)域時(shí)輪胎—水膜—道面相互作用情況的變化，并計(jì)算得到不同磨損情況下輪胎的臨界滑水速度；最后結(jié)合現(xiàn)行飛機(jī)輪胎更換標(biāo)準(zhǔn)提出考慮實(shí)際溝槽磨損程度的飛機(jī)輪胎更換標(biāo)準(zhǔn)。

1 飛機(jī)輪胎的磨損現(xiàn)狀

輪胎是飛機(jī)重要的零部件之一，飛機(jī)起飛和降落過(guò)程中的地面滑跑階段都依靠輪胎與道面的相互作用來(lái)產(chǎn)生支撐力及摩擦力。飛機(jī)輪胎一般由胎面層、簾線層和內(nèi)襯層等組成，依據(jù)內(nèi)部簾線布設(shè)方法的不同還可以分為子午胎和斜交胎，如圖1所示。胎面層由橡膠制成，在胎面上一般會(huì)有縱向溝槽，使輪胎具有一定的排水能力，在濕滑道面上相較于光滑輪胎具有更好的防滑性能。

汽車輪胎方面的相關(guān)研究表明，輪胎紋路、溝槽寬度和深度及數(shù)量都會(huì)對(duì)輪胎的抗滑性能產(chǎn)生影響，但飛機(jī)輪胎有著更高的胎壓和荷載，且胎面大都只有縱向溝槽，因此飛機(jī)輪胎較汽車輪胎更易磨損。在飛機(jī)降落過(guò)程中，飛機(jī)接地時(shí)輪胎將與道面發(fā)生劇烈摩擦，導(dǎo)致每次接地后輪胎都會(huì)損失一定量的橡膠，從而導(dǎo)致飛機(jī)輪胎具有非常高的磨損速率，如圖2所示，輪胎磨損帶來(lái)的安全影響不容忽視。

圖1 子午胎與斜交胎的構(gòu)造Fig.1 Structure of meridian and diagonal tires

圖2 機(jī)場(chǎng)跑道接地帶積膠與磨損輪胎Fig.2 Rubber accumulation on runway landing strip and abrasion tires

對(duì)于此類狀況，各類航空公司針對(duì)不同的輪胎制造商制定了相關(guān)的輪胎更換標(biāo)準(zhǔn)，某航空公司的更換標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 某航空公司不同品牌輪胎的更換標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 One airliner’s replacement standards for different brands of tires

由表1可知，對(duì)于不同品牌的輪胎，航空公司的更換標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。對(duì)比各種品牌輪胎的更換標(biāo)準(zhǔn)可發(fā)現(xiàn)，其更換時(shí)機(jī)大都是當(dāng)輪胎溝槽磨損完畢時(shí)進(jìn)行輪胎更換。然而輪胎溝槽是輪胎排水的重要手段，溝槽深度勢(shì)必會(huì)影響輪胎駛過(guò)積水道面時(shí)的排水效率。當(dāng)輪胎磨損使得溝槽深度降低但并未達(dá)到輪胎更換標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必然會(huì)影響輪胎在濕滑道面的行駛安全。因此，將通過(guò)建立不同磨損程度的輪胎—水膜—道面相互作用有限元模型以分析輪胎磨損程度對(duì)輪胎積水道面行駛時(shí)滑水性能的影響。

2 輪胎磨損的滑水流固耦合模型的建立

2.1 輪胎磨損模型

根據(jù)現(xiàn)有輪胎更換標(biāo)準(zhǔn)，定義輪胎磨損率為剩余胎紋溝槽的深度與新輪胎胎紋溝槽深度的百分比，新輪胎的磨損率為0，達(dá)到現(xiàn)有更換標(biāo)準(zhǔn)（胎紋磨平）輪胎的磨損率為100%。分別選取磨損率為0、25%、50%、75%、100%的輪胎建立輪胎磨損有限元模型。

首先，根據(jù)實(shí)測(cè)輪胎尺寸利用CAD 繪出輪胎模型的1∶1 比例斷面圖；然后，將輪胎的斷面圖導(dǎo)入ABAQUS中，利用Sweep 工具將斷面沿滾動(dòng)軸掃掠360°建立完整輪胎模型。選取A320 主起落架輪胎進(jìn)行建模研究，輪胎型號(hào)為46×17.0R20。將輪胎內(nèi)部簾線與胎面等效為具有統(tǒng)一彈性模量的超彈性均質(zhì)橡膠材料[11-12]，模型及材料參數(shù)如表2～表3所示。

表2 輪胎幾何參數(shù)Tab.2 Tire geometric parameters

表3 輪胎材料參數(shù)Tab.3 Tire material parameters

輪胎的單元類型采用8 節(jié)點(diǎn)線性六面體減縮積分單元（C3D8R 或拉格朗日單元）。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，為使網(wǎng)格劃分更為均勻，采用中性軸掃掠方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。不同磨損狀態(tài)輪胎的截面圖及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 不同磨損程度輪胎截面Fig.3 Cross sections of tires with different abrasion levels

2.2 積水道面模型

由于計(jì)算效率的限制，完全模擬飛機(jī)輪胎在大范圍跑道上的滑水是不現(xiàn)實(shí)的，考慮到輪胎滑水現(xiàn)象的本質(zhì)是高速滾動(dòng)的輪胎—水膜—道面三者之間相互作用問(wèn)題，用高速水流沖刷原地滾動(dòng)輪胎的方式來(lái)代替高速滾動(dòng)輪胎沖擊靜止水膜來(lái)進(jìn)行模型建立。

取積水模型的尺寸為1 m×1 m×0.3 m。積水模型采用歐拉單元建模，模型上部分為空氣層，空氣層的網(wǎng)格層數(shù)為7 層，并沿厚度方向均勻變化；下部分為積水層，網(wǎng)格層數(shù)隨厚度均勻劃分為3～5 層，根據(jù)文獻(xiàn)[13]，取積水層材料參數(shù)如表4所示。

表4 積水層材料參數(shù)Tab.4 Material parameters of water film

道面模型尺寸為1.5 m×1.5 m，采用殼單元建模，單元類型為S4R。

2.3 輪胎—水膜—道面相互作用模型

輪胎滑水現(xiàn)象是輪胎—積水—道面三者相互作用的過(guò)程，其中輪胎與道面是固態(tài)，積水是液態(tài)，是一個(gè)流固耦合的過(guò)程。為了使模型計(jì)算更穩(wěn)定并易于收斂，采用ABAQUS 的CEL 算法進(jìn)行分析。

將輪胎模型的輪轂與轉(zhuǎn)動(dòng)中心耦合，然后將模型從上到下按照輪胎—水膜—道面的位置進(jìn)行組合裝配，并使三者的中心位于一條線上，形成輪胎—水膜—道面流固耦合模型如圖4所示。為形成穩(wěn)定的高速水流場(chǎng)，在水膜層底部和輪胎前進(jìn)方向的兩側(cè)設(shè)置0 速度邊界，并對(duì)水膜區(qū)施加9.8 m/s2的局部重力場(chǎng)；在水膜區(qū)的前段設(shè)置水泵區(qū)，定義此區(qū)域的材料為積水，其余歐拉網(wǎng)格的材料為空氣，并在水泵區(qū)的前緣截面以及水膜區(qū)相應(yīng)的后緣截面分別設(shè)定流域入口（inlet）和流域出口（outlet）。

圖4 考慮輪胎磨損的輪胎滑水有限元模型Fig.4 Tire hydroplaning finite element model considering tire abrasion

賦予水泵區(qū)一定速度以產(chǎn)生高速水流；給輪胎內(nèi)壁施加壓力來(lái)模擬充氣輪胎，并在輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)中心設(shè)置與水流速度匹配的轉(zhuǎn)速來(lái)模擬輪胎以低于10%的滑移率在濕滑道面上運(yùn)行的狀態(tài)。

3 輪胎磨損對(duì)滑水性能的影響分析

對(duì)于A320 機(jī)型，飛機(jī)在降落滑跑過(guò)程中的速度[14]大致為30～250 km/h，而《航空承運(yùn)人濕跑道和污染跑道運(yùn)行管理規(guī)定》[15]規(guī)定，當(dāng)跑道積水深度超過(guò)13 mm時(shí)禁止飛機(jī)起降。因此，選取速度范圍為30～250 km/h，水膜厚度為3 mm、5 mm、7.66 mm、9 mm、11 mm、13 mm進(jìn)行磨損輪胎的多工況滑水分析。

3.1 輪胎—水膜—道面相互作用分析

為了研究輪胎磨損程度對(duì)輪胎—水膜—道面相互作用狀態(tài)的影響，選取7.66 mm 工況水膜為例，提取不同磨損程度下輪胎速度為170 km/h 時(shí)水膜區(qū)壓力云圖，如圖5所示，其中白色輪廓區(qū)域?yàn)檩喬ツＰ停惠喬デ熬壍纳钌珔^(qū)域?yàn)閯?dòng)水壓強(qiáng)峰值區(qū)域；周圍區(qū)域?yàn)榉e水。

圖5 流速170 km/h 時(shí)水膜區(qū)動(dòng)水壓強(qiáng)云圖Fig.5 Hydrodynamic pressure nephogram of waterfilm region at 170 km/h

從圖5可知，水流在沖擊輪胎時(shí)被輪胎分流到了兩側(cè)，并在輪胎的前緣形成了動(dòng)水壓強(qiáng)的峰值區(qū)域；當(dāng)輪胎磨損率低于50%時(shí)，可以明顯看到水流通過(guò)輪胎溝槽排向了輪胎后方，且輪胎前緣的動(dòng)水壓強(qiáng)峰值區(qū)域明顯減小，水流產(chǎn)生的動(dòng)水壓力更低；當(dāng)磨損率高于50%時(shí)，水流并非沿著輪胎溝槽向后排出，而是更多地侵入到了輪胎與地面接觸區(qū)域，同時(shí)動(dòng)水壓強(qiáng)的峰值區(qū)域也更大，即輪胎所受的動(dòng)水壓力較高。

由此可見，當(dāng)輪胎的磨損程度達(dá)到50%以上時(shí)，輪胎溝槽的排水能力將急劇下降，越來(lái)越多的水越過(guò)輪胎溝槽侵入到了輪胎與道面的接觸區(qū)域，極大地影響了輪胎與道面的接觸特性?？梢娫谳喬サ哪p達(dá)到了更換標(biāo)準(zhǔn)的50%時(shí)，輪胎的滑水性能已經(jīng)有明顯降低。

3.2 受道面支撐力的影響分析

為了更深入地研究輪胎磨損給輪胎—道面—水膜相互作用帶來(lái)的影響，繼續(xù)以7.66 mm 水膜厚度為工況，選取更能反映輪胎—水膜—道面相互作用特性的道面支撐力作為參數(shù)，提取不同磨損程度輪胎道面支撐力隨速度的變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同磨損率輪胎道面支撐力變化Fig.6 Pavement support force variation with different abrasion rates

從圖6中可知，隨著輪胎速度的增加，其所受的道面支撐力逐漸下降，下降的過(guò)程分為3 段：當(dāng)速度低于50～80 km/h 時(shí)下降趨勢(shì)較緩慢；當(dāng)速度達(dá)到80～100 km/h 時(shí)，道面支撐力迅速下降；隨后下降速率逐漸變緩，道面支撐力逐漸減小至0，輪胎發(fā)生滑水。

對(duì)比不同磨損率的輪胎可發(fā)現(xiàn)，輪胎磨損率越高，道面支撐力迅速下降段的速度范圍越低，道面支撐力也將越快減小至0；同時(shí)，當(dāng)磨損率超過(guò)50%之后，道面支撐力迅速下降段的速度范圍將降低20 km/h，為60～80 km/h。這個(gè)速度范圍正處于大量主流機(jī)型著陸時(shí)的速度范圍，此時(shí)飛機(jī)輪胎滑水危險(xiǎn)性會(huì)顯著增加。

為進(jìn)一步研究輪胎磨損率超過(guò)一定值時(shí)抗滑性能顯著降低的現(xiàn)象，采用更為直接表述滑水性能的參數(shù)臨界滑水速度來(lái)探究其與磨損率之間的量化關(guān)系。

3.3 輪胎臨界滑水速度的影響分析

將道面支撐力降低為0 時(shí)的速度定義為臨界滑水速度，提取不同水膜厚度情況下不同磨損率輪胎的臨界滑水速度如表5所示，并將臨界滑水速度整理為曲線，如圖7所示。

由表5可知，在相同水膜厚度情況下，輪胎的磨損率越高，其臨界滑水速度越低，達(dá)到更換標(biāo)準(zhǔn)的輪胎（即磨損率為100%）的臨界滑水速度較新輪胎降低約為25%，可見輪胎溝槽的磨損對(duì)輪胎的滑水性能影響較大。

表5 多水膜厚度工況下不同磨損率輪胎的臨界滑水速度Tab.5 Critical hydroplaning speed of tires with different abrasion rates under various film thickness conditions

圖7 不同磨損率輪胎臨界滑水速度與水膜厚度關(guān)系曲線Fig.7 Critical hydroplaning speed vs.waterfilm thickness with different abrasion rates

從圖7可知，當(dāng)水膜厚度低于5 mm 時(shí)，輪胎磨損率超過(guò)75%時(shí)輪胎的臨界滑水速度降低幅度達(dá)到20%左右；而當(dāng)水膜厚度為7.66 mm 和10 mm 時(shí)，輪胎滑水速度大幅下降時(shí)對(duì)應(yīng)的磨損率分別為50%和25%；當(dāng)水膜厚度為13 mm 時(shí)，道面水膜厚度已經(jīng)超過(guò)輪胎的溝槽深度，此時(shí)的臨界滑水速度降低到了一個(gè)較為危險(xiǎn)的水平（150 km/h），低于大多數(shù)主流機(jī)型降落時(shí)的滑跑速度，這也與《航空承運(yùn)人濕跑道和污染跑道運(yùn)行管理規(guī)定》中規(guī)定的“超過(guò)13 mm 積水禁止飛機(jī)起降”一致。

由此可見，輪胎磨損率使輪胎滑水速度降低的程度與水膜厚度相關(guān)，當(dāng)輪胎磨損到溝槽深度小于道面水膜厚度時(shí)，輪胎的臨界滑水速度將大大降低，降低幅度可達(dá)16%～21%。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立考慮輪胎磨損率的輪胎滑水有限元模型，分析了不同磨損率輪胎的滑水性能，得到結(jié)論如下：

1）輪胎磨損對(duì)輪胎的滑水性能影響較為明顯，磨損達(dá)到某一程度時(shí)，輪胎溝槽的排水能力明顯下降，所受到的道面支撐力急劇下降。

2）隨著輪胎磨損率的增加，其臨界滑水速度并非線性降低，當(dāng)磨損率達(dá)到使輪胎溝槽深度小于當(dāng)前道面的水膜厚度時(shí)，輪胎臨界滑水速度的下降幅度將達(dá)16%～21%。

3）現(xiàn)有輪胎的更換標(biāo)準(zhǔn)即當(dāng)輪胎磨損率達(dá)到100%時(shí)更換已經(jīng)不適合于衡量輪胎在濕滑道面的性能表現(xiàn)。根據(jù)研究結(jié)果，建議當(dāng)輪胎磨損率達(dá)到50%以上時(shí)可以進(jìn)行輪胎更換。

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