载重子午线轮胎稳态温度场及其表面强化换热的研究

摘要

轮胎在实际使用中,高温及快速升温不仅直接影响到轮胎胶料的力学性能,导致轮胎侧偏刚度、径向刚度等轮胎外特性参数的改变,而且温升会加速橡胶材料的疲劳和老化,缩短轮胎的使用寿命。本文从轮胎生热、散热的机理出发,探寻了使用CFD方法分析轮胎对流换热的可行性,并将CFD分析结果用于轮胎温度场有限元仿真,形成了一套完整的轮胎温度场分析方法,同时研究了粗糙元表面结构对于强化轮胎散热的作用。
　　 以12.00R20全钢子午线轮胎为研究对象,采用CFD方法分析了静止及流动空气域中旋转轮胎和空气间的对流换热,结果表明:随着轮胎旋转速度、空气流速的增大,轮胎对流换热显著增强;在轮胎实际工作的表面温度范围内,温度对于轮胎对流换热基本没有影响。
　　 利用LFA447型激光扩散法导热仪测量了胶料热扩散系数、比热和导热系数.随温度的变化情况;利用橡胶加工特性分析仪RPA2000测量了胶料损耗因子随温度、应变的变化情况,通过拟合得到胶料热物性参数及动态力学参数随相关参数的变化关系式。
　　 进行了轮胎稳态温度场分析,分析包括三个部分:应力应变有限元分析、温度场有限元分析、温度场实验分析。温度场有限元分析边界条件的表征采用CFD分析计算得出的对流换热系数,材料动态力学性能与温度的耦合通过制定迭代流程完成求解,经对比轮胎内部及表面温度实验值与仿真值具有良好的一致性。
　　 从强化散热的机理出发对比分析了三种不同形式的粗糙元表面结构对空气流动和壁面散热的影响,结果表明粗糙元表面结构可一定程度上强化流体扰动,增加壁面附近的湍流度,有利于增强壁面对流换热。在此基础上,将散热效果最好的双V型肋条粗糙元用于胎侧表面,对比分析了其强化散热效果。