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轮胎的有限元仿真分析

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几何结构

选取米其林公司的Tweel轮胎为研究对象，原因为该款轮胎已具有比较成熟的应用背景。该款轮胎的几何模型尺寸参数采用S. BEZGAM的研究数据。

采用Abaqus软件对轮胎进行有限元分析，轮胎的三维几何模型结构如图1所示。Tweel轮胎包括柔性环、轮毂和可变形轮辐，辐条是成对存在的，整个辐条由25对辐条对组成；柔性环由2层加强层分隔为3部分，分别为与辐条相接的内覆盖、加强层之间的剪切带、与胎面相连的外覆盖。剪切带在轮胎受载滚动时主要承受剪切力，加强层在圆周方向上提供高刚度和强度，胎面则为轮胎滚动和轮胎与地面接触提供牵引力。

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有限元模型建立及验证

轮胎的有限元模型如图2所示。其中，轮毂使用铝合金材料；加强层使用高强度钢；辐条、内外覆盖、剪切带使用聚氨酯材料（采用Marlow模型）；胎面使用橡胶材料（采用Neo-Hookean模型），具体的材料属性设置见文献。在模型中，路面定义为解析刚体，用固定路面、对轮辋中心施加径向3 665 N（轮胎额定负荷的1/4）的方法来模拟轮胎的接地过程。采用库伦摩擦模型来描述轮胎与路面之间的接触特性。

轮胎的Akshay Narasimhan分析与仿真的反用力-下沉量曲线对比如图3所示。

从图3可以看出，轮胎的Akshay Narasimhan分析与仿真的反作用力-下沉量曲线接近，且在径向加载3 665 N时Akshay Narasimhan分析与仿真轮胎的下沉量相差仅为0. 97%，说明本工作所建立的有限元模型可以反映轮胎的力学特性。

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辐条两侧边缘的减振设计

轮胎在滚动过程中的振动是辐条在进入和离开接地区域时在张力作用下的屈曲和回弹现象，包括离散辐条与环相互作用、环与地面相互作用、辐条在循环时张紧和压缩产生的振动，以及地面作用力、环和辐条之间的振动传递到轮毂的振动。因此辐条设计对轮胎的减振尤为重要。

轮胎辐条的振动测量点如图4所示。

M. RAMACHANDRAN等指出：在相同条件下，在辐条径向方向上，中间节点比上、下1/4节点振动更剧烈；在辐条的....