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蜂巢式塑料輪胎力學(xué)性能研究

文檔作者：王若云賀建蕓丁玉梅劉肖英楊衛(wèi)民焦志偉文檔來(lái)源：輪胎設(shè)計(jì)與制造工藝國(guó)家程實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年02月16日
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，)
第42卷，第9期
2014年9月
T 程塑料應(yīng)用
ENGINEERING PLASTICS APPLICATION
Vo1．42．No 9
Sep．2014
doi：lO．3969／j．issn．1001—3539．2014．09．010
蜂巢式塑料輪胎力學(xué)性能研究
王若云，賀建蕓，丁玉梅，劉肖英，楊衛(wèi)民，焦志偉
(輪胎設(shè)計(jì)與制造工藝國(guó)家 程實(shí)驗(yàn)室，北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)
摘要：基于聚氨酯彈性體優(yōu)異的性能，建立了3種不同密度的蜂巢式塑料輪胎模型，并以ABAQUS軟件為工具，
以同型號(hào)的傳統(tǒng)橡膠輪胎為參照，對(duì)比分析了穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)X-況下輪胎的接地性能和應(yīng)力分布。分析結(jié)果表明，與傳統(tǒng)
橡膠輪胎相比，蜂巢式塑料輪胎的等效應(yīng)力分布更加均勻。因此，蜂巢式塑料輪胎局部發(fā)生過(guò)度磨損的可能性降低。
此外，蜂巢式塑料輪胎支撐板的受力情況與蜂巢密度密切相關(guān)。
關(guān)鍵詞：蜂巢式塑料輪胎；聚氨酯；應(yīng)力分布；傳統(tǒng)橡膠輪胎
中圖分類號(hào)：TQ317．9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001—3539(2014)09．0042—04
Research on the M echanic Perform ance of H oneycomb Plastic Tire
Wang Ruoyun，He Jianyun，Ding Yumei，Liu Xiaoying，Yang W eimin，Jiao Zhiwei
(National Engineering Laboratory ofTire Design and Manufacturing Process，College ofMechanical and Electrical Engineering，Beijing University of
Chemical Technology，Beijing 100029，China)
Abstract：Based on superior performance of polyurethane elastomer，three different density of honeycomb plastic tires models
were established，the same model of the traditional rubber tires were taken as reference，and ABAQUS software was used as analysis
tool to compare and analyze the grounding performance and stress distribution of the plastic tires under the steady rolling conditions．
The results show that the equivalent stresses of honeycomb plastic tires distribute more uniformly than that of the traditiona1 rubber
tires．Therefore，the possibility of excessive wear of honeycomb plastic tires gets smaller．In addition，the stress conditions of support
plates of the tires are closely related to honeycomb density．
Keywords：honeycomb plastic tire；polyu rethane；stress distribution ；traditional ru bber tire
長(zhǎng)久以來(lái)，橡膠材料一直是制作輪胎零部件的
唯一選擇，但是近年來(lái)隨著高分子材料行業(yè)的不斷
發(fā)展，相關(guān)輪胎行業(yè)逐漸將目光轉(zhuǎn)移到可替代橡膠
材料的其它復(fù)合材料上。其中，聚氨酯彈性體具備
突H{的高回彈性、優(yōu)異的剪切強(qiáng)度、沖擊性能和橡膠
特性，能適應(yīng)不同熱膨脹系數(shù)基材的粘合，它在基材
之間形成軟一硬過(guò)渡層，不僅粘接力強(qiáng)，同時(shí)還具有
優(yōu)異的緩沖、減震功能。加之其生產(chǎn)『T二藝簡(jiǎn)單、投資
少、廢舊輪胎容易實(shí)現(xiàn)回收利用，所以聚氨酯(PUR)
彈性體已漸漸成為制造輪胎的理想材料 ]。目前，
國(guó)內(nèi)外針對(duì)聚氨酯輪胎進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，廣
泛將聚氨酯胎面／橡膠胎體復(fù)合結(jié)構(gòu)輪胎技術(shù)應(yīng)用
于叉車、載重汽車、輕型載重汽車和轎車輪胎的生產(chǎn)
]
。采用該技術(shù)的蜂巢式塑料輪胎的結(jié)構(gòu)如圖1所
示。這種輪胎采用PUR材料制成蜂巢式的支撐板，
由于PUR材料的優(yōu)越性能，既可以保證蜂巢式輪胎
具有傳統(tǒng)橡膠輪胎的優(yōu)越性能，又具備抗扎性能和
傳統(tǒng)橡膠輪胎不可比擬的負(fù)重能力。
1 蜂糶式塑料輪胎結(jié)構(gòu)圖
基于上述蜂巢式塑料輪胎的優(yōu)異性能，針對(duì)其展開
研究，建立的蜂巢式塑料輪胎模型由胎面、輪輞和蜂
巢式支撐板3部分組成。其中蜂巢式支撐板結(jié)構(gòu)定
義了不同的蜂巢密度，圖2所示的結(jié)構(gòu)為蜂巢式支
撐板的一個(gè)最小單位。最小單位沿周向陣列的個(gè)數(shù)
就定義為輪胎的蜂巢密度，從而考慮密度不同對(duì)輪
胎力學(xué)性能的影響。
聯(lián)系人：焦志偉，博士，講師，主要從事高分子材料輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
與有限元分析
收稿日期：2【)14～06．25
王若云，等：蜂巢式塑料輪胎力學(xué)性能研究 43
I刳2 蜂巢式胎體結(jié)構(gòu)的最小單位
1 蜂巢式塑料輪胎有限元模型的建立
1．1 材料模型
穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)狀態(tài)下，力的相互作用主要涉及到輪
胎與輪輞、輪胎與地面之間的摩擦。因此筆者定義
了4個(gè)零部件包括胎面、蜂巢結(jié)構(gòu)的胎體、輪輞和路
面『3]。其中，地面和輪輞定義為剛性體，蜂巢式支撐
板選用聚氨酯彈性體材料，胎面仍采用橡膠材料，橡
膠本構(gòu)模型采用Yeoh模型，其應(yīng)變能函數(shù)如下 ]：
= A，o(^一3)+ zo(^一3)。+ o( 一3)
式中：， ——砰 ，主伸長(zhǎng)比的第一不變量；
A廠一3個(gè)主伸長(zhǎng)比；
。。， 。， ?！?— 測(cè)量得到的材料常數(shù)，通過(guò)修
改三個(gè)系數(shù)來(lái)表征不同的橡
膠材料。
共包括4個(gè)模型，A型為傳統(tǒng)橡膠輪胎，B型
是蜂巢密度為1 0的蜂巢式塑料輪胎，C型是蜂巢密
度為l2的蜂巢式塑料輪胎，D型是蜂巢密度為16
的蜂巢式塑料輪胎，如表1所示。為了使3種塑料
輪胎具有可比性，蜂巢支撐板的厚度保證一致。
表1 4種不同型號(hào)的輪胎
型號(hào) 輪胎類型
A 型
B型
C型
D型
橡膠輪胎(傳統(tǒng))
密度為1O的蜂巢式輪胎
密度為12的蜂巢式輪胎
密度為l6的蜂巢式輪胎
1．2 單元模型
單元類型選擇和網(wǎng)格劃分時(shí)，輪胎與地面的摩
擦接觸計(jì)算中會(huì)產(chǎn)生較大的剪力，容易出現(xiàn)局部單
元扭曲問(wèn)題，故應(yīng)采用線性單元；加強(qiáng)層、帶束層的
簾線與子午線方向呈一定角度，輪胎會(huì)發(fā)生繞旋轉(zhuǎn)
轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)變形，故應(yīng)采用扭轉(zhuǎn)單元來(lái)模擬 ]。因
此，筆者采用8節(jié)點(diǎn)的完全積分常壓力雜交6面體
單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。而蜂巢式支撐板在施加載
荷后會(huì)發(fā)生扭曲變形，所以應(yīng)采用扭轉(zhuǎn)單元來(lái)模擬，
此外，由于三維模型通常采用8節(jié)點(diǎn)6面體減縮積
分單元，故本研究中采用c D R來(lái)對(duì)蜂巢式支撐板
進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分后的蜂巢式塑料輪胎模型
如圖3所示。
圖3蜂巢式塑料輪胎三維模型
1．3 邊界條件
橡膠輪胎模型的接觸包括胎體與輪輞、輪胎和
路面之間的接觸，并采用罰函數(shù)法進(jìn)行求解。而其
余3種蜂巢式輪胎則采用Tie約束法【6 將橡膠胎面、
蜂巢式支撐板和輪輞良好地結(jié)合在一起。將地面和
輪輞定義為剛體，摩擦系數(shù)定義為0．5。
1．4 載荷施加
在蜂巢式塑料輪胎和同型號(hào)的橡膠輪胎上施
加豎直向下的標(biāo)準(zhǔn)載荷5 000 N，穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)是指輪胎
以一個(gè)恒定角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，對(duì)輪胎進(jìn)行加載分析。
分析的基本過(guò)程是首先對(duì)輪胎進(jìn)行靜載分析，然后
通過(guò)全制動(dòng)工況計(jì)算出輪胎的穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)角速度，最
后根據(jù)計(jì)算出的角速度模擬輪胎穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)工況。
2 有限元結(jié)果的分析與討論
2．1 接地性能分析
圖4～圖6示出了4種輪胎在穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)T況下
沿接地印痕軸向中線的接地應(yīng)力(包括法向接觸壓
力、縱向接觸應(yīng)力和橫向應(yīng)力)分布曲線。由圖4
可知，傳統(tǒng)橡膠輪胎在自由滾動(dòng)工況下，其法向和縱
向接觸應(yīng)力的分布與靜負(fù)荷工況下十分相似，高應(yīng)
力主要分布在胎肩部位和胎冠，應(yīng)力相對(duì)于胎冠中
線基本呈對(duì)稱分布。而蜂巢式塑料輪胎的法向接觸
應(yīng)力，在胎冠中部與其同型號(hào)的橡膠輪胎的法向接
觸應(yīng)力值十分相近，但是在胎肩部分比其同型號(hào)橡
膠輪胎的法向接觸應(yīng)力值大，相差大約3倍左有。
日
1．4
宴1．2
＼ 1．O
：
0．4
囊
胎面寬度／mm
。一A ； 。一B； — 一C； 一D
圖4 穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)狀態(tài)下輪胎法向應(yīng)力分布曲線圖
從圖5可以看出，蜂巢式塑料輪胎的縱向接觸

王若云，等：蜂巢式塑料輪胎力學(xué)性能研究 45
提高了輪胎的承載性能。
瑩
＼
較
蜂巢軸向?qū)挾龋痬m
(a)
蜂巢徑向?qū)挾龋痬m
(b)
~ ro B：o---C： — D
a一3種塑料輪胎蜂巢支撐板內(nèi)壁軸向受力分布圖；
b一3種塑料輪胎蜂巢支撐板徑向受力分布圖
圖9 蜂巢支撐板受力分析圖
3 結(jié)論
(I)蜂巢式塑料輪胎和同型號(hào)的橡膠輪胎相比，
法向接觸壓力和縱向接觸壓力大致相似，能夠保證
輪胎和地面的接觸良好，滿足了輪胎的抓地性能。
而橫向接觸壓力比較大，輪胎發(fā)生側(cè)滑的可能性較
高。
(2)蜂巢式塑料輪胎的等效應(yīng)力分布規(guī)律和傳
統(tǒng)輪胎大致相似，且在均勻性方面其優(yōu)化結(jié)果更加
顯著。輪胎局部發(fā)生過(guò)度磨損的可能性更小。
(3)蜂巢密度為16的塑料輪胎的支撐板受力較
小且均勻，是3種塑料輪胎中結(jié)構(gòu)最優(yōu)的。因此得
出結(jié)論，蜂巢式塑料輪胎的支撐板受到了蜂巢密度
的影響，蜂巢密度的多少與支撐板橫向和徑向受力
密切相關(guān)，通過(guò)這種模擬手段，可以探索出結(jié)構(gòu)最優(yōu)
的蜂巢支撐板密度。
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中俄將成為未來(lái)全球PP產(chǎn)能擴(kuò)張主要驅(qū)動(dòng)力
知名市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Global Data日前發(fā)表報(bào)告稱，2013
年全球PP產(chǎn)量為6 500萬(wàn)t。過(guò)去十年，其產(chǎn)出復(fù)合年增長(zhǎng)
率為5．2％。預(yù)計(jì)2018年全球PP總產(chǎn)出有望增至8 600萬(wàn)t。
未來(lái)五年，我國(guó)和俄羅斯將成為全球PP產(chǎn)能增長(zhǎng)的主
要推動(dòng)力。屆時(shí)兩國(guó)新增PP聯(lián)合產(chǎn)出將占全球新增產(chǎn)出
的45％ 以上。市場(chǎng)需求的走強(qiáng)進(jìn)一步促使PP生產(chǎn)商們進(jìn)
行產(chǎn)能擴(kuò)張。Global Data表示，為實(shí)現(xiàn)其748萬(wàn)t／a的自
給自足目標(biāo)，未來(lái)幾年我國(guó)將率先掀起新一輪的產(chǎn)能擴(kuò)張狂
潮。其中，97．6％的新增PP將產(chǎn)自一些新建生產(chǎn)工廠。預(yù)測(cè)，
2018年我國(guó)PP產(chǎn)量占亞洲及全球總產(chǎn)量的分別為62．4％
和35．5％。
作為推高全球PP產(chǎn)能的第二大驅(qū)動(dòng)力，近年來(lái)俄羅斯
國(guó)內(nèi)石化產(chǎn)品投資力度不斷加大，其PP市場(chǎng)前景十分可期。
2012年該國(guó)PP總產(chǎn)能僅為65萬(wàn)t／a，然而隨著市場(chǎng)需求的
日益增加，2013年這一數(shù)值增至133萬(wàn)t／a。未來(lái)幾年俄羅
斯PP產(chǎn)能還將繼續(xù)擴(kuò)大，預(yù)計(jì)2018年有望達(dá)到348萬(wàn)t／a。
此外，Global Data認(rèn)為2014～2018年期間，委內(nèi)瑞拉和
印度將分別成為全球第三大和第四大PP產(chǎn)出增長(zhǎng)大國(guó)。
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