子午线轮胎动力学与滚动噪声的分析研究

摘要

轮胎的主要功能是支持自重及负载、向路面转移力和缓冲减振;其动力学特性不但影响着轮胎滚动的安稳性、抗湿滑性和油耗等级，而且影响着轮胎的滚动噪声值。随着行驶速度不断提高，各类轮胎日趋高性能化和低噪声化。但目前往往以降低一方性能为代价来提高另一方性能，却不能同时获得兼具两者优越性能的轮胎。
　　本课题通过构建轮辋-轮胎-路面耦合系统，利用ABAQUS软件进行了静负荷、驱动、制动、自由滚动和侧倾、侧偏等单一工况或复合工况下稳态动力学特性的探讨与比较，得到随着侧倾角或侧偏角逐步增大，接地印迹呈现出由矩形到梯形再到三角形的演变规律，且不断向单侧胎肩扩展，导致单边磨损加剧;探讨了基于复特征值提取的振动模态，在轮胎滚动工况下，需进行复特征值提取，才能获得更加准确的振动模态;进行了瞬态动力学特性研究，发现轮辋中心径向响应是类周期性变化的，当轮胎受到凸起冲击后，动力学特性突变明显，主要是由于惯性效应引起的。
　　本课题推导出了基于声学边界元的声学方程、边界条件、声-固耦合方程和稳态解。应用LMS Virtual.Lab Acoustics模块完成了轮胎滚动噪声数值声学模拟，通过探究声场分布情况，发现近场噪声具备指向性，远场噪声指向性不明显，但频谱特性趋势相同，声压级差值约为10dB(A)。通过对比室内噪声实验数据，发现复杂花纹对滚动噪声影响显著，纵沟花纹和光面轮胎滚动噪声值相近。
　　基于以上模拟方法，探究了声-固耦合作用对轮胎动力学特性和滚动噪声的影响程度，发现:其对静负荷及稳态滚动分析结果影响有限，但能使固有频率增加。且在150～250Hz范围内，产生振动噪声的倾向非常明显。声-固耦合模型产生滚动噪声的频率范围主要为50～375Hz;内胎气体为滚动噪声贡献稳定声压级8dB(A)。
　　通过与实验结果比对，验证了模型的有效性及数值声学的准确性。数值模拟结果为高性能、低噪声轮胎研发提供定性化的理论指导和定量化的科学依据。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景、目的及意义

1．2 研究现状

1．2．1 轮胎动力学研究现状

1．2．2 轮胎滚动噪声研究现状

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 子午线轮胎动力学特性数值模拟

2．1 子午线轮胎结构有限元模型的建立

2．1．1 材料模型

2．1．2 网格划分

2．1．3 轮辋-轮胎-路面耦合

2．1．4 轮胎各工况条件

2．1．5 模型有效性验证

2．2 子午线轮胎静负荷分析

2．2．1 Mises应力

2．2．2 接地印迹

2．2．3 接地压力

2．2．4 下沉量

2．3 子午线轮胎稳态动力学

2．3．1 驱动、制动和自由滚动

2．3．2 侧倾滚动

2．3．3 侧偏滚动

2．4 子午线轮胎振动模态

2．4．1 基本原理

2．4．2 静止工况下振动模态

2．4．3 自由滚动工况下振动模态

2．5 子午线轮胎瞬态动力学

2．5．1 轮胎在不同路面上滚动

2．5．2 振动加速度、速度和位移

2．6 本章小结

第三章 子午线轮胎滚动噪声数值模拟及实验验证

3．1 声学基础理论

3．1．1 声学基本概念

3．1．2 声学方程

3．1．3 边界条件

3．1．4 声学边界元

3．2 轮胎的室内噪声实验

3．3 轮胎数值声学

3．4 轮胎滚动噪声影响因素

3．4 本章小结

第四章 基于声-固耦合作用的光面轮胎动力学与滚动噪声研究

4．1．1 材料模型

4．1．2 结构有限元网格划分

4．1．3 声学边界元模型

4．1．4 声-固耦合模型验证

4．2 子午线轮胎静负荷分析

4．2．1 Mises应力

4．2．2 接地印迹

4．2．3 接地压力

4．2．4 下沉量

4．3 子午线轮胎稳态滚动

4．4 子午线轮胎振动模态

4．4．1 静止工况下振动模态

4．4．2 自由滚动工况下振动模态

4．5 光面轮胎滚动噪声的模拟

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

附录

致谢

研究成果及发表学术论文

作者及导师简介