子午线轮胎温度虚拟试验场研究

论文摘要

随着汽车工业以及公路技术的蓬勃发展和汽车保有量的增加,国产子午线轮胎的性能和质量因与国外轮胎相比差距很大,且因为子午线轮胎技术主要掌握在外资企业手中,自主研发能力低等原因,国产轮胎品牌在面对着前所未有的机遇的同时,也遭遇着空前的挑战。本文首先通过回顾国内外轮胎设计研究技术的发展情况,结合对轮胎失效的研究综述,指出温升研究对轮胎失效的巨大意义;通过对国内外子午线轮胎温度虚拟试验场技术的调查,明确了其中的难点和关键技术。在全面了解目前橡胶材料的本构模型研究现状的基础上,并结合笔者对轮胎橡胶循环实验中的发现,采用了连续介质力学理论,基于损伤力学原理和高分子理论,推导了橡胶材料的新本构模型,通过对各种加载模式、加载状态和不同峰值伸长幅值行为下力学特性的补充描述,能够很好弥补原有本构模型在描述轮胎温升时产生的缺陷,并结合材料实验对推出的新本构模型进行了数值验证。为了提供精确的材料力学性能参数,研究了硫化程度、疲劳实验次数、加卸载顺序等因素对橡胶材料性能的影响,对轮胎本构模型参数确定方法进行了探讨,通过分析比较,确定了轮胎力学分析中用于本构模型参数拟合的实验曲线选取原则和材料参数确定的合理流程。在此基础上,结合大量的实验研究工作,确定了全钢载重子午线轮胎所用全部橡胶的材料参数。精确的轮胎力学特性分析是完善的轮胎温度虚拟试验场的前提。通过对轮胎的边界约束、工况、单元种类和网格密度等模型建立技术的探讨,结合多种试验和有限元仿真验证,固化了轮胎力学特性分析模型,并验证了基于新本构的轮胎力学特性分析技术。应用传热学理论,建立了轮胎稳态温度场的简化传热热学分析模型,并探讨了相应的热传导边界和对流边界两种边界条件。结合新本构的特点,修正了原有的能量损耗计算方法,并建立了温度场仿真的全流程。在比较了国内外橡胶热物性参数测量的方法的基础上,采用激光扩散法进行轮胎橡胶材料的热传导系数和比热容参数测量,并采用线性拟合的方法确定了热传导系数和比热容参数。鉴于材料损耗因子与温度、应变的关系,采用RPA2000和数值拟合技术确定了损耗因子与温度、应变之间的关系。这些热物性参数的获得,为高精度的温度虚拟试验场提供了必要的热物性材料数据。结合硫化橡胶试样的压缩温升试验结果,按照所建立的温度场流程,分别采用YEOH本构和新本构模型进行了实验结果数值再现,验证了生热率计算的准确性。并在此基础上进行了轮胎温度场仿真。针对12.00R20全钢载重子午线轮胎,合理确定轮胎温升测试方案,采用合理的内部测点定位,同时监测轮胎外部胎侧面上的温度场和关键点处的温度—时间历程的方法,对轮胎内外部高温点域的分布情况进行了分析。最后,通过与仿真结果的对比,验证并建立了子午线轮胎温度虚拟实验场技术。本文研发的子午线轮胎温度虚拟试验场技术,对国内现有轮胎产品设计流程加以了改进,对缩小国内外轮胎设计水平差距、节约研发制造成本,提高我国轮胎产品竞争力、提升我国轮胎自主研发和创新能力、促进相关学科理论的交叉和发展具有重要现实意义和理论价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 轮胎行业在我国国民经济中的重要地位及现状
• 1.2 国内外载重汽车全钢子午线轮胎研发技术概述
• 1.2.1 设计理论的研究
• 1.2.2 轮胎失效研究
• 1.3 温升对轮胎性能的影响
• 1.3.1 生热对轮胎及整车性能的影响
• 1.3.2 轮胎生热成因
• 1.4 子午线轮胎温度虚拟试验场研究及存在的问题
• 1.5 选题目的及意义
• 1.6 课题来源及研究内容
• 1.6.1 课题来源
• 1.6.2 研究主要内容
• 1.6.3 技术路线
• 第二章 轮胎橡胶材料本构模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 超弹性橡胶本构模型综述
• 2.2.1 统计热力学法
• 2.2.2 连续介质力学方法
• 2.2.3 可压缩性的影响
• 2.2.4 结语
• 2.3 基本理论
• 2.3.1 本构模型建立准则
• 2.3.2 本构模型建立的基础
• 2.3.3 橡胶材料本构方程
• 2.4 实验结果与数值计算结果的对比
• 2.5 本章小结
• 第三章 轮胎橡胶超弹性本构模型材料参数确定研究
• 3.1 引言
• 3.2 轮胎橡胶超弹性本构模型的材料参数确定流程
• 3.3 橡胶材料试样及各种实验步骤
• 3.3.1 实验仪器及试样
• 3.3.2 各种力学特性曲线的测定实验步骤
• 3.4 不同影响因素的结果分析
• 3.4.1 硫化程度对力学特性的影响
• 3.4.2 定拉伸幅值疲劳循环次数对橡胶材料力学特性的影响
• 3.4.3 不同循环应变幅值对力学性能的影响
• 3.5 轮胎橡胶超弹性本构模型材料参数实验流程的确定
• 3.6 本构模型材料参数的确定
• 3.7 本章小结
• 第四章 轮胎力学特性分析
• 4.1 前言
• 4.2 国内外轮胎力学特性有限元研究概况
• 4.3 轮胎的非线性问题描述
• 4.3.1 材料非线性
• 4.3.2 几何非线性
• 4.3.3 接触非线性
• 4.3.4 非线性方程组的解法
• 4.3.5 轮胎大变形应变、应力描述
• 4.3.6 轮胎大变形增量问题描述
• 4.4 轮胎力学特性有限元模型的建立
• 4.4.1 橡胶本构模型的选取
• 4.4.2 橡胶—帘线材料模型选取
• 4.4.3 单元类型的选取
• 4.4.4 载荷工况及边界条件的确定
• 4.4.5 有限元网格划分
• 4.4.6 网格疏密问题
• 4.5 轮胎实验验证及结果对比
• 4.5.1 载荷下沉量试验
• 4.5.2 外轮廓特征尺寸试验
• 4.5.3 内特性帘线力试验验证
• 4.5.4 基于YEOH本构的不同模型仿真结果与实验的对比分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 轮胎温度场仿真技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 传热学原理
• 5.3 温度场仿真模型的建立
• 5.3.1 建立传热分析模型的假设
• 5.3.2 应力应变场及温度场的有限元模型
• 5.3.3 边界条件的确定
• 5.3.4 橡胶材料热生成率的计算
• 5.4 轮胎材料热学参数性能研究
• 5.4.1 导热系数
• 5.4.2 比热容
• 5.4.3 用激光扩散法测试胶料热物性参数
• 5.4.4 橡胶材料损耗因子的测定
• 5.5 橡胶材料压缩温升实验及仿真
• 5.6 轮胎温度场仿真结果
• 5.7 本章小结
• 第六章 轮胎温度场实验研究
• 6.1 常用轮胎温度场实验方法
• 6.2 轮胎温度场实验流程
• 6.2.1 实验轮胎
• 6.2.2 需要的仪器设备:
• 6.2.3 轮胎温度场测量流程
• 6.3 实验结果及分析
• 6.3.1 实验结果
• 6.3.2 实验结果分析
• 6.3.3 实验结果与仿真结果的比较分析
• 6.3.4 结论
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 本文的主要研究工作
• 7.2 论文的主要创新点
• 7.3 未来研究工作展望
• 附录1 本构关系推导及编程思路
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间发表的论文
• 博士期间参与完成或在研的项目
• 博士期间正在申请的项目