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輪胎是汽車的重要部件之一，其力學(xué)特性對汽車的行駛性能如操縱穩(wěn)定性、安全性、平順性和燃油經(jīng)濟(jì)性等都有極為重要的影響。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和消費(fèi)者對汽車產(chǎn)品要求的提高，輪胎動(dòng)態(tài)特性的研究工作越來越受到重視。傳統(tǒng)的解析方法分析輪胎的振動(dòng)特性時(shí)幾乎都是將輪胎胎側(cè)簡化為彈簧，胎冠當(dāng)作各向同性材料的圓環(huán)來處理，這種分析簡化與輪胎的實(shí)際情況有很大出入，分析結(jié)果很難具有工程實(shí)用價(jià)值。近年來采用有限元分析輪胎結(jié)構(gòu)力學(xué)成為輪胎研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，其中大多是采用Abaqus有限元分析軟件對輪胎進(jìn)行模擬分析。
本工作以255/30R22規(guī)格的三角平衡輪廓輪胎和傳統(tǒng)輪廓輪胎為例，考慮橡膠材料的非線性和不可壓縮性及簾線-橡膠復(fù)合材料的各向異性等因素，對其進(jìn)行三維非線性有限元模擬仿真分析。邊界約束對輪胎的模態(tài)參數(shù)有明顯影響，汽車行駛時(shí)需考慮輪輞和路面對輪胎振動(dòng)的約束，因此本工作主要研究和探討三角平衡輪廓輪胎的模態(tài)參數(shù)對整車動(dòng)力學(xué)性能的影響。
三角平衡輪廓是指以低扁平率的傳統(tǒng)輪胎輪廓為基礎(chǔ)，通過增大輪胎自由狀態(tài)下的斷面水平軸到胎圈的距離、縮短著合寬度、在胎肩與胎側(cè)的內(nèi)輪廓處增添高強(qiáng)度、耐高溫和耐磨損的支撐塊，對輪胎輪廓進(jìn)行優(yōu)化。
由二維輪胎斷面輪廓可以看出，三角平衡輪廓輪胎在自由狀態(tài)下胎面和胎側(cè)區(qū)域內(nèi)的胎體層斷面輪廓呈等腰三角形，且三角形的頂角遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)輪廓輪胎。當(dāng)三角平衡輪廓輪胎處于標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力工況時(shí)，胎肩與胎側(cè)所夾的支撐塊不斷地受充氣壓力的擠壓，由于支撐塊硬度很高，而胎側(cè)膠很軟，因此支撐塊擠壓胎側(cè)變形，使胎側(cè)部位的橫向位移增大，而胎冠中心線上的徑向位移減小，提高了周向剛性，降低了高速行駛時(shí)的能量損失，此時(shí)胎冠沿胎面橫向被拉直，且胎冠部的胎體簾線呈張緊狀態(tài)。當(dāng)三角平衡輪廓輪胎承受負(fù)荷時(shí)，一方面高硬度的支撐塊提高了胎側(cè)的剛性；另一方面胎側(cè)不斷地被支撐塊擠壓，使胎冠的胎體簾線被張緊拉直，提高了胎冠的剛性，實(shí)現(xiàn)了胎冠和胎側(cè)剛度的整體提高，從而使靜負(fù)荷工況下輪胎的下沉量減小，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)力臂的減小和真圓度的逼近，達(dá)到降低輪胎滾動(dòng)阻力的目的。此外，三角平衡輪廓輪胎胎冠和胎側(cè)較高的剛度與穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)使胎體層斷面輪廓在滾動(dòng)過程中基本不發(fā)生變化，提高了輪胎行駛的穩(wěn)定性；當(dāng)輪胎處于漏氣或零氣壓狀態(tài)時(shí)，支撐塊還起著承受車輛自身重力的作用，從而提高輪胎的安全性能。
輪胎中實(shí)體單元采用具有近似不可壓縮性的超彈性橡膠材料模型表示，考慮各類簾線均為正交各向異性材料，冠帶層錦綸簾線、帶束層鋼絲簾線和胎體聚酯簾線均采用rebar嵌入式單元處理，本研究采用Yeoh模型。支撐塊選用線彈性模型，其材料選用具有優(yōu)異耐磨性能、優(yōu)良抗撕裂性能和較高彈性的熱固性聚氨酯彈性體。本研究取其楊氏模量為510MPa，泊松比為0.4。
輪輞和路面定義為解析剛體，且胎圈與輪輞為過盈配合，胎圈與輪輞之間和胎面與地面之間的摩擦因數(shù)分別設(shè)為0.3和0.5。在模態(tài)分析中，LANCZOS向量直接疊加法是通過生成一組LANCZOS向量對運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行縮減，然后通過求解縮減運(yùn)動(dòng)方程的特征值問題得到其特征解。由于該方法具有較理想的計(jì)算效率，因此本研究采用LANCZOS向量直接疊加法來求解線性方程組，得出固有頻率和相應(yīng)振型。
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