基于路面宏观纹理的轮胎抗滑行为数值模拟研究

摘要

交通安全问题历来是整个交通行业面临的共同难题，雨天事故多发则是研究的一大热点。通过对雨天交通事故的调查分析可知，道路交通雨天事故除了与行驶速度有关外，很多还与路面抗滑能力下降有关。汽车高速通过潮湿路面，路面积水受到高速冲击，产生的托举力使得轮胎与路面分离，整车行驶稳定性下降，在遇到紧急制动易引起水漂而发生交通事故，因此要求道路路面通过一定的技术措施，保证雨天也能供良好的抗滑性能以保证行车安全。论文根据有限元方法的流固耦合理论建立了轮胎-流体-路面有限元模型，采用模拟方法研究轮胎滑水产生过程，为后续措施提供了理论依据。
　　首先，建立了具有表面宏观纹理的沥青路面模型:通过三维光学扫描，获取沥青混合料表面宏观纹理的几何信息，编写MATLAB程序计算沥青路面的平均断面深度，利用CT扫描技术，依据三维重构原理进行试件的有限元建模，解决了沥青路面复杂宏观纹理建模的问题。
　　其次，建立了复杂花纹的子午线轮胎有限元模型:进行轮胎材料拉伸试验，使用YEOH模型模拟橡胶材料的超弹特性，采用遗传基因模型形式来描述橡胶材料的黏弹性，利用加强筋单元模拟轮胎各向异性的力学特性。通过轮胎充气和径向刚度模拟试验验证了所建轮胎模型适用于滑水分析。
　　再次，依据Persson摩擦理论建立了轮胎橡胶材料-路面的摩擦模型:针对沥青路面表面纹理的分形特征，采用分段变维分形的方法，计算了沥青路面的功率谱，结合橡胶材料的黏弹特性，建立了橡胶材料摩擦模型，编写ABAQUS摩擦子程序FRIC，分析了静载状态和ABS状态下的轮胎接地的接触压应力分布和接地面积随充气内压和轮胎荷载变化的规律，并进行对比分析，指出建立橡胶材料摩擦模型的必要性。
　　然后，依据流固耦合理论，采用欧拉单元建立了流体模型:采用液面追踪技术模拟了流体的自由液面，推导了水流的状态控制方程，研究了流固耦合类型，依据计算要求设定流体边界条件。
　　最后，将轮胎模型、流体模型、沥青路面模型三者耦合计算，分析了轮胎充气内压、水膜厚度、沥青路面宏观纹理对轮胎滑水的影响，发现:100kPa到350kPa范围内，较高的轮胎充气内压可以有效的提高轮胎的滑水速度，轮胎滑水速度的增幅随路面水膜厚度的增加而减小;优良的表面宏观纹理构造能显著的提高轮胎的滑水速度，工况相同的情况下，OGFC路面拥有最高的轮胎滑水速度。轮胎的附着系数随着沥青路面MPD值的增加而增加，随着轮胎速度的增加而减小;工况相同的情况下，OGFC路面拥有最高的附着系数，其次为SMA路面，AC路面最低。相同水膜厚度，随着速度的增加，开级配OGFC路面比其他级配沥青路面具有更好的防滑性能。
　　根据本文研究结算的成果，可以实现对不同配合比设计的沥青路面，不同工况下的轮胎渭水性能的预估，对新建路面的配合比设计和现有路面的再生级配设计均具有一定的指导意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 轮胎模型研究现状

1．2．2 沥青路面表面形貌特性研究现状

1．2．3 弹性流体的动力学研究现状

1．2．4 沥青路面与轮胎接触特性研究现状

1．2．5 轮胎-流体-路面滑水相互作用研究现状

1．3 主要研究内容及技术路线

第二章 沥青混凝土路面纹理表征研究及有限元建模

2．1 轮胎-路面摩擦机理分析

2．2 沥青混凝土试件表面纹理信息表征研究

2．2．1 沥青混凝土试件的制备

2．2．2 沥青混凝土试件表面三维形貌信息采集

2．2．3 沥青混凝土路面平均断面深度值计算

2．2．4 沥青混凝土路面纹理功率谱计算

2．3 具有表面纹理的沥青混凝土路面有限元建模

2．3．1 CT扫描技术原理

2．3．2 灰度图像处理技术研究

2．3．3 基于体素的三维重构技术研究

2．4 本章小结

第三章 子午线轮胎材料力学特性研究及有限元建模

3．1 子午线轮胎的基本结构

3．2 橡胶材料与骨架材料力学特性研究

3．2．1 子午线轮胎橡胶材料本构模型

3．2．2 橡胶-帘线复合材料本构模型

3．3 子午线轮胎主体结构建模技术

3．3．1 子午线轮胎二维几何模型建立

3．3．2 有限元模型网格优化研究与单元类型选择

3．3．3 子午线轮胎三维有限元模型建立

3．4 三维轮胎有限元模型验证

3．4．1 轮胎模型充气荷载结果分析

3．4．2 轮胎模型径向刚度验证

3．5 本章小结

第四章 干燥状态下轮胎-路面接触有限元模拟技术研究

4．1．2 轮胎-路面接触算法研究

4．2 轮胎-路面摩擦特性研究

4．2．1 胎面橡胶材料-沥青路面的摩擦模型研究

4．2．2 接触面积比例系数及橡胶材料模量计算

4．3 静载状态下轮胎-路面接触分析

4．3．1 静载状态下力学特征指标分析

4．3．2 静载状态下几何特征指标分析

4．4 ABS状态下轮胎-路面相互作用研究

4．4．1 ABS状态下轮胎-路面接触研究

4．4．2 ABS状态下轮胎附着系数影响因素研究

4．5 本章小结

第五章 多工况下轮胎滑水有限元模拟计算分析

5．1 流固耦合算法控制方程

5．1．1 轮胎动力学方程

5．1．2 水流控制方程

5．1．3 流固耦合类型的选择

5．1．4 水流自由液面模拟

5．2 轮胎滑水模型建立

5．2．1 流体模型的建立

5．2．2 模型边界条件设定

5．3 轮胎滑水模型验证

5．3．1 水流印迹验证

5．3．2 竖向接触力验证

5．3．3 轮胎-路面接触面积验证

5．3．4 轮胎滑水速度验证

5．4 轮胎滑水速度影响因素分析

5．4．1 轮胎充气内压对轮胎滑水速度的影响

5．4．2 水膜厚度对轮胎滑水速度的影响

5．4．3 路面宏观纹理对轮胎滑水速度的影响

5．5 潮湿状态下轮胎附着系数影响因素分析

5．5．1 潮湿状态下轮胎附着系数计算

5．5．2 潮湿状态下轮胎速度对附着系数的影响

5．5．3 潮湿状态下宏观纹理对附着系数的影响

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要研究结论

6．2 主要创新点

6．3 进一步研究建议

致谢

参考文献

博士期间发表的学术论文