轮胎稳态滚动温度场的有限元分析

摘要

鉴于轮胎内部温度场对轮胎各项性能的重要影响，轮胎温度场分析越来越受到工程界的关注；尽管对此问题已进行了较长期的大量研究，但由于难度很大，至今仍未形成可靠有效的分析方法，因此发展轮胎结构温度场的分析方法仍是当前轮胎科学界与工程界亟待解决的问题。本文以形成较系统的计及热力耦合的轮胎稳态温度场的求解策略和分析方法为目的，开展了一系列相关的研究，特别是对内部热源和热边界条件的表征确定这两个关键问题进行了较深入的研究，并初步探索了不同工况和结构特征对轮胎稳态温度场的影响
　　 提出了一利新的测试聚酯帘线力学性能的减法测试方法，即减法试验法。结果表明，减法试验法能够消除常规测试中存在的明显的端部效应，从而可以得到较可靠的聚酯帘线拉伸模量。进行了轮胎橡胶材料导热系数的实验研究，并将橡胶/钢丝帘线复合结构等效成均质正交各向异性材料，给出了由组分导热系数和体积比预报均质正交各向异性材料导热系数的解析式。
　　 基于粘弹谱仪的轮胎胶料粘弹损耗特性的实验研究表明，轮胎胶料粘弹损耗参数的动应变相关性和温度相关性均十分显著。结合实验研究结果，评估了修正Kraus模型表征不同温度下胶料粘弹损耗参数的动应变相关性的能力，并提出了一个非中心对称的局部线性化模型，该模型显式计及了胶料的储能模量和损耗模量关于动应变、温度的相关性。对试验数据的拟合结果表明该模型能够较好地显式预报胶料粘弹损耗参数的动应变相关性和温度相关性。该模型还隐式计及了静应变的影响。据此，推出了一个三向谐振载荷作用下轮胎胶料粘性损耗的等效应变计算公式，然后利用傅立叶级数给出了一个轮胎内部热源强度的完整算法，并编写了相应的计算模块DECAL。
　　 将光滑凸旋转曲面的对流换热关系式推广应用于滚动轮胎(非光滑可凹旋转曲面)，给出了一个具有一定普适性的轮胎外表面对流换热关系式；利用Mikic模型给出了胎面与路面之间接触热导的计算公式，然后将对流换热和接触导热这两种作用沿轮胎周向作平均化处理给出了一个等效的胎面对流换热关系式。与此同时，给出了一个实验和计算相结合的确定对流换热关系式中相关参数的方法。
　　 形成了以双向迭代解法为基本框架的较系统的计及热力耦合的轮胎稳态温度场的求解策略和分析方法。采取诸多手段(包括分析与局部实验相结合的方法)，对已形成的轮胎稳态温度场的求解策略和分析方法进行了必要的考评。结果表明，该求解策略和分析方法是比较有效的；也表明本文提出的轮胎外表面对流换热关系式和确定相关参数的方法是较为可靠有效的，且有一定的普适性。
　　 在上述基础上，考察了不同工况和部分结构特征对轮胎稳态温度场的影响。结果表明，竖直自由滚动时，轮胎内部不同位置的温度均随着行驶速度、载荷、环境温度的增大而升高，随着充气压力的增大而降低；不同工况下轮胎稳态温度场的整体分布趋势不会改变，轮胎内部最高温度均出现在胎肩部。当轮胎发生侧倾时，轮胎侧倾一侧的温度随着侧倾角的增大而升高，而另一侧的温度则相反；胎冠中部的温度有所降低，但变化幅度很小。结果还表明，轮胎胎肩、胎冠部的温度随扁平率的减小而有所降低，而胎侧、胎圈部的温度则几乎没有变化。另外，随着带束层帘线角度的增大，胎肩部温度先升高后降低，并在22。附近出现最大值；胎冠部温度先升高后降低再升高，其变化曲线类似于倾斜的“S”形，出现了两次转折；胎圈部温度开始变化甚小，但当帘线角大于22。时将随之升高；胎侧温度几乎没有变化。同时，与无花纹轮胎相比，含纵向花纹轮胎的胎肩、胎冠部的温度显著降低，而胎侧、胎圈部的温度变化很小。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2轮胎温度场的研究现状

1.2.1轮胎温度场的实验研究

1.2.2轮胎温度场的解析模型分析

1.2.3轮胎温度场的有限元分析

1.3轮胎结构变形的有限元分析

1.4本文工作

第二章 子午线轮胎材料参数的测试和表征

2.1本文分析所用轮胎结构

2.2子午线轮胎材料力学性能的测试和表征

2.2.1轮胎橡胶材料力学性能的测试和表征

2.2.2轮胎骨架材料力学性能的测试和表征

2.3轮胎橡胶材料导热系数的测试和表征

2.4本章小结

第三章 轮胎胶料粘弹损耗特性的测试和表征

3.1轮胎胶料粘弹损耗特性的实验研究

3.1.1试验设备和试件

3.1.2试验原理

3.1.3试验方案

3.1.4试验结果

3.2轮胎胶料粘弹损耗特性的表征

3.2.1修正Kraus模型表征不同温度下动应变相关性能力的评估

3.2.2非中心对称的局部线性化模型

3.3本章小结

第四章 计及热力耦合的轮胎稳态温度场分析

4.1轮胎稳态温度场的求解策略和方法

4.1.1内部热源的确定

4.1.2热边界条件

4.1.3轮胎稳态温度场的分析方法

4.2轮胎稳态温度场分析方法的考评

4.2.1 195/60R14和205/55R16轮胎稳态温度场的测试

4.2.2 195/60R14和205/55R16轮胎稳态温度场的分析

4.2.3轮胎稳态温度场的计算结果及其分析

4.3本章小结

第五章 不同工况和结构特征对轮胎稳态温度场的影响

5.1工况对轮胎稳态温度场的影响

5.1.1竖直滚动工况下相关参数对轮胎稳态温度场的影响

5.1.2侧倾滚动工况下不同侧倾角对轮胎稳态温度场的影响

5.2部分结构特征对轮胎稳态温度场的影响

5.2.1纵向花纹对轮胎稳态温度场的影响

5.2.2扁平率对轮胎稳态温度场的影响

5.2.3带束层帘线角度对轮胎稳态温度场的影响

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果