基于复合材料理论的轮胎帘线受力模型及测试技术研究

摘要

智能轮胎关键技术是当今轮胎研究的热点之一，其研究内容涉及轮胎力学、帘线/橡胶复合材料、传感技术、轮胎试验技术等领域。本文以轮胎帘线张力模型和帘线张力测试技术为研究对象，结合复合材料力学理论实现轮胎帘线张力数学模型的建立；研发能应用于轮胎帘线张力测试的帘线张力传感器和轮胎表面应变测试的应变传感器；实现试验轮胎试制并开展轮胎试验研究。该工作为智能轮胎关键技术研究开辟了一条新路，为进一步开展智能轮胎研究做技术准备。
　　 研究工作首先根据轮胎结构特点，提出刚度圆环弹簧轮胎物理模型；结合复合材料板壳力学理论建立轮胎物理模型中圆环梁任意铺层帘线张力的数学模型；通过对轮胎充气和加载工况进行圆环梁受力分析，建立轮胎充气和加载工况下圆环梁张力及任意层帘线张力的数学模型。该模型表明帘线受力特征与轮胎加载条件、轮胎断面的形状和尺寸、帘线的规格、帘线的铺设角和排列间距、带束层的结构形式、带束层的宽度等诸多因素的耦合作用密切关联。开展轮胎结构的有限元建模和考评工作，实现轮胎充气和静态加载工况有限元分析。探讨不同载荷下子午线轮胎的帘线受力特征，为试验研究提供仿真依据。
　　 研发可在制造工序中嵌入轮胎的钢丝帘线张力传感器。该传感器能够经受轮胎制造过程中的高温高压并稳定输出测试信号。通过系统研究单根钢丝帘线拉伸特性及复合材料中钢丝帘线拉伸特性，提出轮胎钢丝帘线张力的测试机理。同时还设计PVDF胶片传感器用于轮胎表面应变的测试。帘线张力传感器嵌入轮胎后检验合格，并开展样品轮胎充气试验和静态加载及加载滚动试验研究，是传感器开发初步成功的标志。
　　 根据试验轮胎实验结果与理论计算，说明理论模型的合理性和可行性。通过试验和理论方法修正轮胎帘线张力与轮胎结构参数及静载工况条件的关系公式。加载滚动试验结果说明帘线张力和轮胎表面应变对于预测轮胎的行驶信息有相当大的参考价值。
　　 实验结果及模型验证都表明，当轮胎结构和材料一定时，帘线张力和胎内侧应变的变化与轮胎的工况条件密切关联。通过对测试部位帘线张力和轮胎表面应变的变化测定，结合所建理论模型是可以分析出轮胎受力情况。研究结果对于开发轮胎帘线张力及轮胎表面应变测试系统和轮胎智能检测系统有非常大的潜力。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 智能轮胎概述及关键技术问题

1.2 智能轮胎关键技术研究现况

1.2.1 智能轮胎产品现况

1.2.2 智能轮胎传感器关键技术研究现况

1.2.3 智能轮胎力学模型研究现况

1.3 轮胎力学理论与试验力学研究

1.3.1 轮胎力学理论研究

1.3.2 轮胎试验力学研究

1.3.3 帘线/橡胶复合材料力学理论

1.3.4 帘线张力分析理论与试验研究

1.4 本文主要研究内容及研究流程

第二章 轮胎模型化及帘线张力模型

2.1 轮胎简化物理模型

2.2 轮胎圆环梁任意层帘线张力的力学建模

2.2.1 轮胎材料力学性能描述

2.2.2 轮胎圆环梁刚度模型建立

2.2.3 轮胎圆环梁任意层帘线张力数学模型

2.3 轮胎充气与静负荷工况下帘线张力的数学模型

2.3.1 轮胎充气工况帘线张力数学模型

2.3.2 轮胎静负荷工况帘线张力数学模型

2.4 本章小结

第三章 轮胎结构有限元建模及帘线受力仿真分析

3.1 有限元模型的建立

3.1.1 橡胶材料模型描述

3.1.2 帘线/橡胶复合材料模型

3.1.3 12.00R20轮胎有限元模型

3.1.4 有限元计算的考评

3.2 轮胎帘线受力分析

3.2.1 分析路径的定义

3.2.2 胎体帘线受力分析

3.2.3 带束层帘线受力分析

3.3 本章小结

第四章 轮胎传感器测试实验技术研究

4.1 材料性能测试

4.1.1 钢丝帘线张力学性能测试

4.1.2 帘线/橡胶复合材料力学性能测试

4.2 轮胎帘线张力传感器的开发及试验研究

4.2.1 钢丝帘线张力的测试机理

4.2.2 传感原理

4.2.3 传感器结构设计及制造工艺

4.2.4 传感测试系统构成和工作原理

4.2.5 传感器标定试验

4.3 轮胎表面应变传感器研究

4.3.1 PVDF传感机理及应变测量原理

4.3.2 PVDF应变片的制作

4.3.3 PVDF应变片特性试验

4.3.4 PVDF胶片传感器测试试验

4.4 样品轮胎试制及测试

4.4.1 样品轮胎试制

4.4.2 样品轮胎测试试验

4.5 本章小结

第五章 轮胎试验结果分析与模型验证

5.1 轮胎参数及圆环梁刚度模型计算

5.2 轮胎静态帘线张力分析

5.2.1 充放气工况帘线张力分析

5.2.2 静负荷工况帘线张力分析及模型验证

5.3 轮胎稳态滚动工况帘线张力分析

5.4 轮胎稳态滚动工况内表面应变分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文完成的主要工作

6.2 论文工作的主要创新点

6.3 对今后工作的展望

参考文献

致谢

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