基于Abaqus軟件的12.00R24全鋼工程機(jī)械輪胎接地印痕的優(yōu)化

張文杰，王銳佳，雍占福，李 淼， 王傳鑄*

[1.泰凱英（青島）專用輪胎技術(shù)研究開發(fā)有限公司，山東 青島 266100；2.青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點實驗室，山東 青島 266042]

近年來，隨著采礦業(yè)的快速發(fā)展，對全鋼工程機(jī)械輪胎的需求日益增加，尤其是對井下礦用工程機(jī)械輪胎的需求增長迅速[1]。由于井下礦用輪胎的使用環(huán)境非常嚴(yán)苛，輪胎的損壞往往影響車輛的使用效率，因此客戶對井下礦用輪胎的性能提出了更高的要求。

根據(jù)市場反饋，針對井下礦用輪胎胎冠中早期磨損較快的問題，本工作以井下礦用12.00R24全鋼工程機(jī)械輪胎為研究對象，基于Abaqus軟件優(yōu)化輪胎的接地印痕和接地壓力分布，以期為改善輪胎性能提供參考。

1 研究方法

采用輪胎接地印痕的形狀系數(shù)（Cs，又稱矩形率）表征輪胎的接地印痕，計算公式為[2]

式中，L1和L2為輪輞位置對應(yīng)的印痕長軸長度，Lx為接地印痕長軸長度，如圖1所示。當(dāng)Cs＜1時，Cs值越小，接地印痕形狀越接近橢圓形；當(dāng)Cs＞1時，Cs值越大，接地印痕形狀越接近蝴蝶形；當(dāng)Cs趨近于1時，接地印痕形狀接近矩形。

圖1 接地印痕量化示意

2 有限元模型的建立

有限元技術(shù)可以快速為設(shè)計者提供必要的數(shù)據(jù)支撐，是產(chǎn)品質(zhì)量提升的重要工具。輪胎使用中同時存在著材料、幾何、接觸三大非線性，理論求解幾乎不可能，因此在輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計中有限元方法顯得更加重要，而且應(yīng)用越來越廣泛[3-11]。在輪胎的設(shè)計過程中使用有限元技術(shù)將大幅提高輪胎研發(fā)的效率，有效降低研發(fā)成本。輪胎的有限元分析主要包括材料模型建立和有限元模型建立。

2.1 橡膠材料模型及骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計

全鋼工程機(jī)械輪胎主要由橡膠和金屬骨架構(gòu)成。在輪胎有限元分析中橡膠材料一般使用Yeoh本構(gòu)模型表征其高彈性[12]。本工作將輪胎各部位膠料循環(huán)拉伸8次，消除Mullins效應(yīng)后，取最后一次穩(wěn)定的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過最小二乘法擬合得到Y(jié)eoh本構(gòu)模型的材料參數(shù)。金屬骨架材料是線彈性材料，使用彈性模量和泊松比表征其應(yīng)力-應(yīng)變行為。原始方案帶束層鋼絲簾線相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 原始方案帶束層鋼絲簾線相關(guān)參數(shù)

2.2 有限元模型的建立

對12.00R24全鋼工程機(jī)械輪胎的材料分布圖進(jìn)行合理簡化，去除對結(jié)果影響小的防擦線和裝飾線，然后劃分網(wǎng)格，如圖2所示。根據(jù)材料分布圖，將各部位分別賦予相應(yīng)的材料屬性。橡膠材料的單元類型分別采用CGAX3H和CGAX4H，骨架材料的單元類型采用SFMGAX1。利用Abaqus軟件進(jìn)行二維充氣和三維靜態(tài)加載等分析。

圖2 輪胎材料分布圖及有限元模型

3 結(jié)果分析

3.1 原始方案試驗結(jié)果及有限元仿真計算結(jié)果

室內(nèi)測試的樣品輪胎接地印痕如圖3所示，其Cs為70%。根據(jù)原始方案材料分布圖進(jìn)行有限元計算，其接地印痕仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 樣品輪胎接地印痕測試結(jié)果

圖4 原始方案輪胎接地印痕仿真結(jié)果

對比圖3和4可知，接地印痕仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，說明有限元仿真結(jié)果真實可靠。有限元仿真得到的輪胎接地印痕的Cs為75%，整體呈現(xiàn)橢圓形。

通過對市場反饋問題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)輪胎的偏磨和胎冠中央磨損較快的問題主要與輪胎的接地印痕形狀及Cs相關(guān)。由于該規(guī)格輪胎負(fù)荷較小，行駛過程中扭轉(zhuǎn)較多，胎面與地面會有滑動，這種滑動摩擦正是導(dǎo)致輪胎偏磨和胎冠中央磨損較快的原因。由圖3可知，樣品輪胎的接地印痕近似于橢圓形，胎肩部位的接地印痕長度較小，胎冠中央長軸長度較長，使得胎冠中央受力集中，肩部受力較弱，導(dǎo)致輪胎出現(xiàn)偏磨和胎冠中央磨損較快情況。

3.2 優(yōu)化方案

3.2.1 骨架材料設(shè)計調(diào)整

由于輪胎的外輪廓已定，修改輪胎外輪廓會增加制模成本，因此優(yōu)化方案主要從帶束層角度、寬度、方向及優(yōu)化肩部材料分布等幾個方面入手。為了解決輪胎偏磨和胎冠中央磨損較快的問題，采用適當(dāng)增大輪胎的接地面積和Cs的方法。優(yōu)化方案帶束層鋼絲簾線相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化方案帶束層鋼絲簾線相關(guān)參數(shù)

3.2.2 輪胎肩部材料分布

輪胎肩部材料分布主要調(diào)整措施包括：帶束層寬度優(yōu)化、胎面厚度減小、胎肩墊膠厚度優(yōu)化和內(nèi)輪廓調(diào)整。

圖5示出了原始方案輪胎和優(yōu)化方案輪胎的材料分布。

圖5 原始方案和優(yōu)化方案輪胎材料分布示意

3.3 優(yōu)化方案輪胎分析

3.3.1 接地印痕

根據(jù)優(yōu)化方案輪胎材料分布圖和骨架材料進(jìn)行有限元分析。優(yōu)化方案輪胎接地印痕的有限元仿真結(jié)果見圖6，其Cs為83.4%，相較于原始方案輪胎接地印痕Cs增大了8.4%。由此可見，優(yōu)化方案輪胎的接地形狀更合理，使輪胎接地壓力分布更均勻，有效改善了輪胎胎冠中央的早期磨損問題。

圖6 優(yōu)化方案輪胎接地印痕仿真結(jié)果

影響輪胎接地印痕形狀的主要因素為輪胎的橫向剛性和縱向剛性，而本研究產(chǎn)品的主要影響因素為橫向剛性。通過增大1#帶束層的角度，優(yōu)化帶束層的寬度及貼合方向，調(diào)整輪胎的冠部及肩部材料分布，改變輪胎的橫向剛度，增大Cs，改善接地印痕形狀。

3.3.2 接地壓力

沿接地印痕短軸和長軸方向的輪胎接地壓力分布分別如圖7和8所示。

圖7 沿接地印痕短軸方向的接地壓力分布

由圖7可知，優(yōu)化方案輪胎沿接地印痕短軸方向肩部接地壓力明顯大于原始方案輪胎，胎冠中央接地壓力小于原始方案輪胎，這使得優(yōu)化方案輪胎在行駛過程中橫向收縮減小，從而減小了胎冠中央磨損和偏磨的發(fā)生幾率。

由圖8可知，優(yōu)化方案輪胎沿接地印痕長軸方向的接地壓力分布與原始方案輪胎基本相同，整體接地壓力略小于原始方案輪胎。優(yōu)化方案輪胎沿接地印痕短軸和長軸方向的接地壓力優(yōu)于原始方案輪胎，可有效解決輪胎胎冠中央磨損及輪胎偏磨問題。

圖8 沿接地印痕長軸方向的接地壓力分布

4 結(jié)論

全鋼工程機(jī)械輪胎的帶束層寬度、角度和方向的設(shè)計對其接地印痕形狀具有顯著影響。在輪胎設(shè)計及優(yōu)化階段通過有限元仿真技術(shù)對不同方案輪胎的接地印痕進(jìn)行評估，可以更好地指導(dǎo)設(shè)計。本工作利用Abaqus軟件，對12.00R24全鋼工程機(jī)械輪胎的材料分布和帶束層參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，解決了胎冠中央磨損及輪胎偏磨問題。有限元分析方法可縮短研發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本。