自由充气及旋转工况下翻新轮胎应力分析

王 强，齐 鹏，王云龙，杨 兆，王国田

(1.黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050;2.哈尔滨职业技术学院 机械工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

随着矿山开采、建筑施工等行业发展迅速，使工程车辆轮胎的需求量与日俱增，2017年的年产量约为1 500万条，占轮胎总量的0.8%左右，但售额却占全部轮胎的8%左右。一条工程车辆轮胎胎冠的耗胶量占整个轮胎耗胶量的15%左右，但其附加值却比其它轮胎高出30%～50%左右[1-3]。目前，国外一些发达国家，如美国、日本、韩国及我国的研究主要集中在轮胎翻新行业状况及相关政策分析、轮胎翻新工艺与技术、轮胎翻新设备研制及改进、翻新轮胎产品质量检测、翻载重车辆新轮胎胎面改性增强技术等方面[4-6]。国外发达国家及我国的研究主要集中在载重车辆翻新轮胎方面，但对工程车辆翻新轮胎使用中表现出的宏观及微观力学性能研究却不多。工程轮胎翻新基础技术缺乏，其在使用过程中经常出现胎面不耐磨、易崩花掉块，甚至出现胎面脱层、被压爆及刺爆的损坏形式，严重影响其推广应用。为此，本文通过构建工程车辆翻新轮胎的计算机几何模型、各层应力约束条件及有限元分析模型，对26.5R25工程车辆翻新轮胎的胎面层、缓冲胶层、带束层、旧胎体层、胎侧层、趾口胶层及钢丝圈部分的应力及剪切应力分布状况进行数值模拟分析，探讨翻新轮胎弹性应变及能量密度分布规律，可为工程车辆翻新轮胎的性能评价研究、翻新工艺优化及使用推广提供重要的理论指导。

1 工程车辆翻新轮胎的计算机几何模型

本文以26.5R25工程车辆翻新轮胎为主要研究对象，其结构参数如表1所示，结构组成如图1所示，应用Pro/E Wildfire软件构建自由充气及自由旋转工况的三维装配模型(见图2)，三维几何模型如图3所示，主要由胎面、缓冲胶、带束层、旧胎体、胎侧、趾口胶及钢丝圈组成[7-13]。

表1 26.5R25翻新轮胎结构参数

续表1

图1 26.5R25翻新轮胎结构组成

图2 自由充气、自由旋转工况三维装配模型

图3 三维几何模型

2 工程车辆翻新轮胎各层应力约束条件

工程车辆翻新轮胎胎面层、缓冲层、胎侧层、带束层、胎体层等各层所能承受的最大应力需要满足式(1)—式(5)的约束条件

σm≤[σmr]·K，

(1)

σh≤[σhr]·K，

(2)

σc≤[σcr]·K，

(3)

(4)

(5)

式中：σm、σh、σc、σd、σt分别为胎面层、缓冲层、胎侧层、带束层及胎体层所受应力，MPa；σmr，σhr，σcr分别为胎面层、缓冲层及胎侧层的最大许用应力，MPa；K为各层设计安全系数；P为轮胎充气压力，kPa；Rk为胎面点半径，m；R0为断面最宽点半径，m；n为胎体层钢丝-帘线层数，层；ik为胎体层钢丝-帘线密度，根/m；αk为带束层的钢丝-帘线角度，(°)。

胎面层和缓冲层之间、带束层和缓冲层之间所承受的剪切应力应满足式(6)～式(7)的约束条件

τmh≤[τmh]·K，

(6)

τhd≤[τhd]·K.

(7)

式中：τmh、τhd分别为胎面层和缓冲层之间、带束层和缓冲层之间所受的剪切应力，MPa;τmh，τhd分别为胎面层和缓冲层之间、带束层和缓冲层之间的许用剪切应力，MPa;K为剪切强度安全系数。

3 工程车辆翻新轮胎自由充气、自由旋转工况有限元模型

利用ANSYS软件构建工程翻新轮胎有限元模型(见图4)，采用四面体单元结构局部细化方式进行网格划分，模型共有200 089个自由度，10 223个单元和94 445个节点。其中胎体层和带束层采用复合材料Layer单元模拟，胎面层、缓冲层、胎侧层及趾口胶层采用Mooney-Rivlin模型来模拟，钢丝圈层采用Solid单元模拟，各层的材料参数如表2所示[14-17]。

图4 有限元模型

自由充气及自由旋转工况约束加载模型如图5所示，其中自由充气工况在轮辋、趾口胶层部位进行alldof约束，自由旋转工况在轮辋部位进行X、Y、Z方向的位移约束，车辆行驶速度为30 km/h(即3.1 rad/s)，胎压设定为600 kPa，模型求解计算设定为非线性大变形，采用平衡迭代的方式，计算过程可分为1 000个子步。

表2 各层材料参数

图5 约束加载模型

4 工程车辆翻新轮胎自由充气、自由旋转工况各层应力有限元分析

4.1 自由充气工况各层应力有限元分析

工程翻新轮胎在胎压为600 kPa的应力云图如图6所示，沿轮胎径向方向应力分布规律，钢丝圈层应力(38.05 MPa)>胎体层应力(0.81 MPa)>带束层应力(0.42 MPa)>缓冲层应力(0.26 MPa)>胎面层应力(0.14 MPa)。各层沿轮胎宽度方向的应力分布曲线如图7所示，其中胎面层、缓冲层、带束层的应力值呈现倒“V”型变化趋势，均在胎面的中线处出现较大值，沿着轮胎宽度方向逐渐减小，至胎肩部位达到最小值，而胎体层的应力呈现“W”的变化趋势，且在胎肩部位应力达到最大值(2.24 MPa)。结果表明，工程翻新轮胎在自由充气工况下，其主要承力部件为钢丝圈层和胎体层，在充气压力作用下向外膨胀，胎面层、缓冲层及带束层向外扩张形成紧箍的效应，其中在胎肩部位胎体层与带束层存在较大的应力梯度，工程翻新轮胎旧胎体质量对翻新后轮胎的力学性能将产生直接影响，且在翻新前要特别注意旧胎体胎肩部位损伤缺陷的检测。

图6 应力云图

图7 层沿轮胎宽度方向的应力

工程翻新轮胎在胎压为600 kPa的综合剪切应力云图如图8所示，沿轮胎径向方向剪切应力分布规律，胎体内侧胎肩处剪切应力(0.044 MPa)>钢丝圈剪切应力(0.003 MPa)>带束层剪切应力(0.002 MPa)>胎体层剪切应力(0.0016 MPa)>缓冲层剪切应力(0.001 MPa)>胎面层剪切应力(0.000 7 MPa)，结果表明旧胎体内侧胎肩部位橡胶由于已存在一定程度的老化，受力后与钢丝帘布之间形成较大的剪切应力，同时，旧胎体上的趾口胶层橡胶也存在一定程度的老化，其与钢丝圈形成刚性体与柔性体接触对，在内应力作用下，二者之间形成在较大的剪切应力。因此，工程轮胎旧胎体在翻新前要注重对钢丝圈部位橡胶、胎体内侧胎肩处部位的损伤缺陷检测。各层沿轮胎宽度方向的剪切应力分布曲线如图9所示，胎面层、缓冲层、带束层及胎体层的剪切应力值均较小，其中胎面层、带束层及胎体层的剪切应力呈现倒“V”型的变化趋势，而缓冲层剪切应力呈现“W”的变化趋势。结果表明，工程轮胎翻新后各层之间一定要紧密粘附，且在胎面层、缓冲层及胎体层胎肩接触部位橡胶融合要合理，否则，会由于剪切应力梯度的不均衡使胎面层与胎体层在胎肩部位脱层失效。

图8 剪切应力云图

图9 各层沿轮胎宽度方向剪切应力

工程车辆翻新轮胎弹性应变分布云图如图10所示，应变能量密度分布云图如图11所示。由图10、图11可知，翻新轮胎胎侧应变最大，其主要原因是：胎侧是由一层钢丝帘线和较薄的橡胶组成，在受力时更容易发生形变；胎面层位应变能密度最大，且在轮胎宽度方向中心位置最大，向两侧胎肩方向逐渐减小，主要原因是胎面较厚，在受到较小的充气张力后，其能量不易扩散，导致集聚的应变能量较高。不同充气压力下最大应力和最大剪切应力对比曲线如图12所示。由图12可知，随着充气压力的增加，其最大应力和最大剪切应力均线性增大，但最大应力变化率远远大于最大剪切应力变化率，表明充气压力的大小对工程翻新轮胎各层的应力会产生较大影响，对剪切应力产生的影响较小。

图10 弹性应变分布云图

图11 应变能量密度分布云图

图12 不同充气压力下最大应力及最大剪切应力曲线

4.2 自由旋转工况各层应力有限元分析

在充气压力600 kPa、自由行驶速度30 km/h时的工程车辆翻新轮胎综合应力云图、综合剪切应力云图、弹性应变分布云图、应变能量密度分布如图13—图16所示。由图13—图16可知，自由旋转工况下翻新轮胎的各层应力、剪切应力、弹性应变及应变能量密度分布规律与自由充气工况下相似，但各项值均有所增大。应力及剪切应力最大值随轮胎速度变化曲线如图17、图18所示。由图17、图18可知，工程翻新轮胎应力及剪切应力随着轮胎自由行驶速度的增加而近似线性增大，但当速度大于40 km/h后，其最大应力和最大剪切应力几乎变化不大。结果表明：工程翻新轮胎自由旋转工况下将会产生较大的离心力，在离心载荷作用下，导致胎体层和带束层承受的应力较大，且剪切应力主要集中在带束层与缓冲层交汇处。因此，旧胎体的质量对轮胎翻新后的力学性能将会产生较大的影响，且带束层与缓冲层容易出现脱层失效情况。

图13 综合应力云图

图14 综合剪切应力云图

图15 弹性应变分布云图

图16 应变能量密度分布云图

图17 应力随速度变化曲线(p= 600 kPa)

图18 剪切应力随速度变化曲线(p=600 kPa)

5 结 论

1)确定了自由充气及自由旋转工况下工程车辆翻新轮胎胎面层、缓冲层、胎侧层、带束层、胎体层等各层应力约束条件，胎面层和缓冲层之间、带束层和缓冲层之间所承受的剪切应力约束条件，数值模拟分析了工程车辆翻新轮胎各层的应力、剪切应力、弹性应变及应变能量密度分布及变化规律。

2)在自由充气及自由旋转工况下，工程翻新轮胎胎体层及胎面层胎肩部位所受应力最大，带束层次之，缓冲层及胎面层较小，缓冲层与带束层之间存在较大的剪切应力。

3)工程翻新轮胎胎体层及带束层为主要承力部件，翻新前应注重胎体层及带束层的质量检测，翻新时要增强带束层与缓冲层的粘合强度。