免充气轮胎蜂巢结构性能数值模拟分析

李凡双 高振明 王 敏 戚丽丽

0 引言

随着车速的提升及车辆使用环境的扩展，对轮胎性能的要求不断提高。在军事和采矿等特殊行业中，普通充气轮胎常因无法承受反复撞击而丧失性能，从而影响工作任务的进行[2]。免充气型轮胎具有抗扎、防爆、耐磨等特点，从根本上解决了爆胎问题。随着法国米其林公司免充气Tweel 轮胎的生产，免充气轮胎逐渐受到关注，成为一种新的轮胎发展趋势[3,4]。目前，主要以安全性和舒适度作为衡量轮胎性能优异的标准。在现有为数不多的免充气轮胎中，蜂巢结构轮胎应用仿生原理，以蜂巢状六边形结构替代轮胎充气部分，具有与普通充气轮胎相当的支撑和减振作用[4,5]。同时，蜂巢轮胎采用性能优越的弹性功能橡胶材料，结合其仿生学结构，可极大提高轮胎的安全性能，具有广阔的未来市场需求。

免充气轮胎通过蜂巢结构的变形以吸收外力，实现减振，其蜂巢结构由结构单元沿周向阵列而得到（如图1 所示），定义蜂巢结构六边形各边为分隔板，蜂巢结构单元的阵列个数为蜂巢密度[6]，以方便进行描述和分析。本文通过改变免充气轮胎蜂巢结构单元尺寸，借助SolidWorks 建立7 种不同蜂巢结构的三维轮胎模型，根据蜂巢单元圆周分布个数定义蜂巢密度分别为12、14、16、18，分隔板厚度分别取6 mm、7 mm、8 mm、9 mm，利用Ansys Workbench 软件构建对应有限元分析模型，对轮胎胎体结构及其负载下的力学性能进行分析。

图1 免充气轮胎蜂巢结构示意图

1 免充气蜂巢轮胎模型的建立

根据蜂巢轮胎的结构特点，通过SolidWorks 建立相应的几何模型，包括蜂巢轮胎模型及做接触分析时所需刚性地面模型，再将模型导入Ansys Workbench 中进行数值模拟分析。其前处理主要包括定义材料属性、单元选择、网格划分及载荷边界条件的确定等。

1.1 材料模型

由于免充气蜂巢轮胎的轮毂与轮胎属于固定接触，因此本研究将轮胎内表面与轮辋的接触采用固化处理，地面视为刚体[8]。文中蜂巢轮胎所用材料为新型弹性功能橡胶，其材料力学性能受多种因素影响，基于各项同性假设，本构模型采用两参数的Moony-Rivlin 模型（材料参数见表1），其方程可描述为

式中：W 为应变能密度，C 10 和C 01 为Rivlin 系数，I 1 为第一Green 应变不变量，I 2 为第二Green 应变不变量。

表1 蜂巢轮胎Moony-Rivlin 模型的材料参数