第27卷第7期 V ol.27 No.7 工 程 力 学 2010年 7 月 July 2010 ENGINEERING MECHANICS
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收稿日期：2009-01-16；修改日期：2009-04-02
作者简介：何 涛(1983―)，男，重庆人，硕士生，从事计算结构力学研究(E-mail: pasnew@)； ∗李子然(1975―)，男，安徽宿州人，副教授，博士，从事计算力学研究(E-mail: lzr@)；
汪 洋(1968―)，男，江苏常州人，教授，博士，从事冲击动力学、材料力学行为的研究(E-mail: yangwang@).
文章编号：1000-4750(2010)07-0237-07
子午线轮胎胎面花纹块滑动磨损有限元分析
何 涛，*李子然，汪 洋
(中国科学技术大学近代力学系中国科学院中国科学技术大学材料力学行为和设计重点实验室，合肥 230027)
摘 要：该文以205/55R16半钢子午线轮胎为参考轮胎，通过建立带纵向和横向简单花纹的轮胎模型，使用ABAQUS/Standard 进行了轮胎自由滚动、制动工况的有限元分析，分析了与胎面磨损分布相关的粘着滑移区域随滚动角速度变化的分布情况。结果显示：轮胎在制动状态下，胎面各花纹块沿滑动方向前端出现接触大变形。但由于整体轮胎模型胎面花纹部分网格较粗糙，计算得到的花纹块变形受力分布特征不够准确。为此，采用整体到局部的分析方法，建立采用精细网格的二维平面应变花纹块模型，由整体轮胎模型提供其简化边界条件，使用ABAQUS/explicit 进行了滑动的热力耦合有限元分析。结果显示：采用精细网格的局部花纹块模型能反映出滑动前端卷曲大变形以及表面卷曲自接触的变形特征。最后，通过模拟ABS(防抱死制动系统)控制下轮胎胎面花纹块磨损过程，分析了胎面花纹块沿周向的不规则磨损特征。 关键词：子午线轮胎；胎面花纹块；滑动；磨损；有限元分析 中图分类号：TQ336.1; TB124 文献标识码：A
FINITE ELEMENT ANALYSIS FOR SLIDING ABRASION OF TREAD
BLOCKS OF RADIAL TIRE
HE Tao , *LI Zi-ran , WANG Yang
(Department of Modern Mechanics, Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials,
University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)
Abstract: The global finite element model of 205/55R16 radial tire with simple longitudinal and lateral tread
patterns is constructed. The free rolling and braking processes are simulated using ABAQUS/Standard commercial code. The distribution of stick and slip areas of contact surface under free rolling and braking conditions is investigated. The numerical results indicate that large contact deformations could occur at the front part of tread blocks along the sliding direction. To obtain more accurate stress field and deformation characteristics, a refined meshed finite element model of local tread block is set up. The boundary conditions of local model are derived from the results of global model. Sliding behavior of the tread block is analyzed using ABAQUS/Explicit incorporating thermo-mechanical coupling. Large contact deformations including curling and self contact are presented. In the end, an abrasion process of tread block during the course of ABS (antilock brake system) braking is simulated and the irregular abrasion character along the circumference of tire is presented. Key words: radial tire; tread block; slip; abrasion; finite element analysis
胎面磨损是影响轮胎寿命的主要原因之一，胎面各花纹块沿轮胎横截面的不均匀磨损和沿周向
的不规则磨损将导致轮胎的提前报废，因此轮胎胎面花纹块磨损长期成为轮胎制造商、研究者和使用
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者密切关注的焦点[1]。生产轮胎所用的橡胶作为一种低弹性模量的超弹性材料，而其摩擦特性主要由其粘弹性本质所主导[2]，其摩擦磨损特性与接触应力、相对滑动速度、温度和地面粗糙度等因素相关[3―4]。对胎面摩擦磨损特性的研究，目前仍主要依赖户外和室内的试验方法。然而传统试验研究方法成本高且研究周期长，随着有限元技术的发展，有限元分析已经逐渐成为轮胎磨损分析和耐磨损设计方便和有力的手段。
目前在轮胎胎面磨损的有限元数值仿真中，最关键的问题是如何在计及胎面花纹形态的情况下真实地描述胎面花纹块与路面接触和滑动的相互作用过程[5]。Hofstetter K[6]等建立了针对单个花纹块的有限元模型，考虑摩擦生热进行了花纹块滑动的热力耦合分析，计算得到了花纹块较准确的滑动变形与受力分布特征，分析了花纹块的滑动磨损；但孤立的花纹块并不能体现整体轮胎结构对花纹块接地变形受力的影响。Cho J C[7]等建立了计及复杂胎面花纹的轮胎模型，进行了不同工况下轮胎胎面磨损的有限元分析；但由于计算条件的限制，胎面花纹网格划分不够精细，无法较精确地获得接地区变形和应力分布特征。因此引入整体轮胎结构对胎面花纹块的影响，计算得到接地区花纹块较准确的受力变形特征，从而进行胎面花纹块滑动磨损分析是必须进行的工作。
本文采用整体到局部的分析方法，建立采用精细网格的二维平面应变花纹块模型，由整体轮胎模型提供其简化边界条件，进行滑动的热力耦合有限元分析；通过与ABS制动状态下轮胎胎面花纹块磨损相似的磨损模拟分析，揭示了胎面花纹块沿周向的不规则磨损特征。
1 整体轮胎模型有限元分析
1.1 轮胎整体模型
根据文献[8]，使用组合模型法建立了带纵向和横向简单花纹的三维轮胎模型。花纹形状如图1所示，即横沟与轮胎横向断面平行，纵沟与轮胎纵向断面平行；这种拓扑简单的花纹块形态为研究各花纹块沿周向的不规则磨损提供了便利。首先建立一个二维轮胎主体断面，分为主体部分和胎面部分；沿周向一定角度构建一个花纹节，同时轮胎主体部分利用轴对称特性，沿周向旋转一个与花纹节周向相匹配的角度；通过组合模型的方法将主体部分和胎面花纹部分约束在一起，得到组合花纹节模型；然后将上述组合花纹节模型沿周向进行等比例和不等比例的镜像，组合得到变节距的组合花纹轮胎模型，即在接地端及其附近区域的花纹节距符合实际花纹节距，而在其他区域的花纹节距则数倍于实际花纹节距。这种非均分的网格划分方案既降低了模型规模，又可以保证轮胎接地区较精确的计算结果。
图1 带横向和纵向简单胎面花纹的轮胎模型的建模过程 Fig.1 Modeling of tire considering simple longitudinal and
lateral tread patterns
轮胎胶料的超弹性本构模型选用Yeoh模型，其主体部分的材料参数由自动网格法测量得到[9―10]，胎面花纹部分胶料材料参数引用文献[6]。橡胶材料采用八节点线性立方体常压力杂交三维实体单元C3D8H。帘线和钢丝圈材料为线弹性，其对橡胶的加强作用均使用rebar单元模拟；为了表征帘线具有不同的拉压性能，帘线材料的压缩模量取为拉伸模量的1/10[9]。总体轮胎模型含79751个单元，111380个节点。单元路面采用解析刚体单元。胎面与路面的摩擦系数为0.9。整体有限元模型如图2所示。
图2 整体有限元模型
Fig.2 Total finite element model
1.2 各滚动状态下胎面粘着滑移区域分析
胎面接地区域分为粘着区和滑移区。胎面与路面的相对滑移在弹性可回复滑移范围之内，其状态为粘着；在弹性可回复滑移范围之外，其状态为滑移[11―12]。胎面在滑移状态下将发生不可回复的塑性
组合花纹节模型
