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蜂巢式塑料轮胎力学性能研究

文档作者：王若云贺建芸丁玉梅刘肖英杨卫民焦志伟文档来源：轮胎设计与制造工艺国家程实验室		点击数：	更新时间： 2021年02月16日
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，)
第42卷，第9期
2014年9月
T 程塑料应用
ENGINEERING PLASTICS APPLICATION
Vo1．42．No 9
Sep．2014
doi：lO．3969／j．issn．1001—3539．2014．09．010
蜂巢式塑料轮胎力学性能研究
王若云，贺建芸，丁玉梅，刘肖英，杨卫民，焦志伟
(轮胎设计与制造工艺国家 程实验室，北京化工大学机电工程学院，北京 100029)
摘要：基于聚氨酯弹性体优异的性能，建立了3种不同密度的蜂巢式塑料轮胎模型，并以ABAQUS软件为工具，
以同型号的传统橡胶轮胎为参照，对比分析了稳态滚动X-况下轮胎的接地性能和应力分布。分析结果表明，与传统
橡胶轮胎相比，蜂巢式塑料轮胎的等效应力分布更加均匀。因此，蜂巢式塑料轮胎局部发生过度磨损的可能性降低。
此外，蜂巢式塑料轮胎支撑板的受力情况与蜂巢密度密切相关。
关键词：蜂巢式塑料轮胎；聚氨酯；应力分布；传统橡胶轮胎
中图分类号：TQ317．9 文献标识码：A 文章编号：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
长久以来，橡胶材料一直是制作轮胎零部件的
唯一选择，但是近年来随着高分子材料行业的不断
发展，相关轮胎行业逐渐将目光转移到可替代橡胶
材料的其它复合材料上。其中，聚氨酯弹性体具备
突H{的高回弹性、优异的剪切强度、冲击性能和橡胶
特性，能适应不同热膨胀系数基材的粘合，它在基材
之间形成软一硬过渡层，不仅粘接力强，同时还具有
优异的缓冲、减震功能。加之其生产『T二艺简单、投资
少、废旧轮胎容易实现回收利用，所以聚氨酯(PUR)
弹性体已渐渐成为制造轮胎的理想材料 ]。目前，
国内外针对聚氨酯轮胎进行了大量的实验研究，广
泛将聚氨酯胎面／橡胶胎体复合结构轮胎技术应用
于叉车、载重汽车、轻型载重汽车和轿车轮胎的生产
]
。采用该技术的蜂巢式塑料轮胎的结构如图1所
示。这种轮胎采用PUR材料制成蜂巢式的支撑板，
由于PUR材料的优越性能，既可以保证蜂巢式轮胎
具有传统橡胶轮胎的优越性能，又具备抗扎性能和
传统橡胶轮胎不可比拟的负重能力。
1 蜂粜式塑料轮胎结构图
基于上述蜂巢式塑料轮胎的优异性能，针对其展开
研究，建立的蜂巢式塑料轮胎模型由胎面、轮辋和蜂
巢式支撑板3部分组成。其中蜂巢式支撑板结构定
义了不同的蜂巢密度，图2所示的结构为蜂巢式支
撑板的一个最小单位。最小单位沿周向阵列的个数
就定义为轮胎的蜂巢密度，从而考虑密度不同对轮
胎力学性能的影响。
联系人：焦志伟，博士，讲师，主要从事高分子材料轮胎结构设计
与有限元分析
收稿日期：2【)14～06．25
王若云，等：蜂巢式塑料轮胎力学性能研究 43
I刳2 蜂巢式胎体结构的最小单位
1 蜂巢式塑料轮胎有限元模型的建立
1．1 材料模型
稳态滚动状态下，力的相互作用主要涉及到轮
胎与轮辋、轮胎与地面之间的摩擦。因此笔者定义
了4个零部件包括胎面、蜂巢结构的胎体、轮辋和路
面『3]。其中，地面和轮辋定义为刚性体，蜂巢式支撑
板选用聚氨酯弹性体材料，胎面仍采用橡胶材料，橡
胶本构模型采用Yeoh模型，其应变能函数如下 ]：
= A，o(^一3)+ zo(^一3)。+ o( 一3)
式中：， ——砰 ，主伸长比的第一不变量；
A厂一3个主伸长比；
。。， 。， 。— — 测量得到的材料常数，通过修
改三个系数来表征不同的橡
胶材料。
共包括4个模型，A型为传统橡胶轮胎，B型
是蜂巢密度为1 0的蜂巢式塑料轮胎，C型是蜂巢密
度为l2的蜂巢式塑料轮胎，D型是蜂巢密度为16
的蜂巢式塑料轮胎，如表1所示。为了使3种塑料
轮胎具有可比性，蜂巢支撑板的厚度保证一致。
表1 4种不同型号的轮胎
型号 轮胎类型
A 型
B型
C型
D型
橡胶轮胎(传统)
密度为1O的蜂巢式轮胎
密度为12的蜂巢式轮胎
密度为l6的蜂巢式轮胎
1．2 单元模型
单元类型选择和网格划分时，轮胎与地面的摩
擦接触计算中会产生较大的剪力，容易出现局部单
元扭曲问题，故应采用线性单元；加强层、带束层的
帘线与子午线方向呈一定角度，轮胎会发生绕旋转
转轴的扭转变形，故应采用扭转单元来模拟 ]。因
此，笔者采用8节点的完全积分常压力杂交6面体
单元对其进行网格划分。而蜂巢式支撑板在施加载
荷后会发生扭曲变形，所以应采用扭转单元来模拟，
此外，由于三维模型通常采用8节点6面体减缩积
分单元，故本研究中采用c D R来对蜂巢式支撑板
进行网格划分。网格划分后的蜂巢式塑料轮胎模型
如图3所示。
图3蜂巢式塑料轮胎三维模型
1．3 边界条件
橡胶轮胎模型的接触包括胎体与轮辋、轮胎和
路面之间的接触，并采用罚函数法进行求解。而其
余3种蜂巢式轮胎则采用Tie约束法【6 将橡胶胎面、
蜂巢式支撑板和轮辋良好地结合在一起。将地面和
轮辋定义为刚体，摩擦系数定义为0．5。
1．4 载荷施加
在蜂巢式塑料轮胎和同型号的橡胶轮胎上施
加竖直向下的标准载荷5 000 N，稳态滚动是指轮胎
以一个恒定角速度转动时，对轮胎进行加载分析。
分析的基本过程是首先对轮胎进行静载分析，然后
通过全制动工况计算出轮胎的稳态滚动角速度，最
后根据计算出的角速度模拟轮胎稳态滚动工况。
2 有限元结果的分析与讨论
2．1 接地性能分析
图4～图6示出了4种轮胎在稳态滚动T况下
沿接地印痕轴向中线的接地应力(包括法向接触压
力、纵向接触应力和横向应力)分布曲线。由图4
可知，传统橡胶轮胎在自由滚动工况下，其法向和纵
向接触应力的分布与静负荷工况下十分相似，高应
力主要分布在胎肩部位和胎冠，应力相对于胎冠中
线基本呈对称分布。而蜂巢式塑料轮胎的法向接触
应力，在胎冠中部与其同型号的橡胶轮胎的法向接
触应力值十分相近，但是在胎肩部分比其同型号橡
胶轮胎的法向接触应力值大，相差大约3倍左有。
日
1．4
宴1．2
＼ 1．O
：
0．4
囊
胎面宽度／mm
。一A ； 。一B； — 一C； 一D
图4 稳态滚动状态下轮胎法向应力分布曲线图
从图5可以看出，蜂巢式塑料轮胎的纵向接触

王若云，等：蜂巢式塑料轮胎力学性能研究 45
提高了轮胎的承载性能。
莹
＼
较
蜂巢轴向宽度／mm
(a)
蜂巢径向宽度／mm
(b)
~ ro B：o---C： — D
a一3种塑料轮胎蜂巢支撑板内壁轴向受力分布图；
b一3种塑料轮胎蜂巢支撑板径向受力分布图
图9 蜂巢支撑板受力分析图
3 结论
(I)蜂巢式塑料轮胎和同型号的橡胶轮胎相比，
法向接触压力和纵向接触压力大致相似，能够保证
轮胎和地面的接触良好，满足了轮胎的抓地性能。
而横向接触压力比较大，轮胎发生侧滑的可能性较
高。
(2)蜂巢式塑料轮胎的等效应力分布规律和传
统轮胎大致相似，且在均匀性方面其优化结果更加
显著。轮胎局部发生过度磨损的可能性更小。
(3)蜂巢密度为16的塑料轮胎的支撑板受力较
小且均匀，是3种塑料轮胎中结构最优的。因此得
出结论，蜂巢式塑料轮胎的支撑板受到了蜂巢密度
的影响，蜂巢密度的多少与支撑板横向和径向受力
密切相关，通过这种模拟手段，可以探索出结构最优
的蜂巢支撑板密度。
参考文献
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offorce field in polyurethane／rubber composite tire[C]／／Fifteenth
Annual Conference of China Polyurethane Industry Association．
Shanghai：Cpuia Conference，2010：420~ 23．
中俄将成为未来全球PP产能扩张主要驱动力
知名市场研究机构Global Data日前发表报告称，2013
年全球PP产量为6 500万t。过去十年，其产出复合年增长
率为5．2％。预计2018年全球PP总产出有望增至8 600万t。
未来五年，我国和俄罗斯将成为全球PP产能增长的主
要推动力。届时两国新增PP联合产出将占全球新增产出
的45％ 以上。市场需求的走强进一步促使PP生产商们进
行产能扩张。Global Data表示，为实现其748万t／a的自
给自足目标，未来几年我国将率先掀起新一轮的产能扩张狂
潮。其中，97．6％的新增PP将产自一些新建生产工厂。预测，
2018年我国PP产量占亚洲及全球总产量的分别为62．4％
和35．5％。
作为推高全球PP产能的第二大驱动力，近年来俄罗斯
国内石化产品投资力度不断加大，其PP市场前景十分可期。
2012年该国PP总产能仅为65万t／a，然而随着市场需求的
日益增加，2013年这一数值增至133万t／a。未来几年俄罗
斯PP产能还将继续扩大，预计2018年有望达到348万t／a。
此外，Global Data认为2014～2018年期间，委内瑞拉和
印度将分别成为全球第三大和第四大PP产出增长大国。
(工程塑料网1
＼ 毯较

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