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含复杂胎面花纹的轮胎有限元分析

——不同滚动状态下的轮胎结构受力对比分析

李兵

[1],夏源明[2]，李炜[1]，李子然[2]

[1]佳通轮胎(中国)研发中心，合肥230601

[2]中国科学技术大学近代力学系，合肥230027

摘要：鉴于胎面花纹设计的重要性，计及复杂胎面花纹的轮胎结构有限元建模技

术越来越受到工程和学术界的关注。针对205/55R16半钢子午线轮胎，本文建立

计及纵横花纹的变节距的组合花纹轮胎模型，使用Abaqus/Standard进行不同滚动

状态下的轮胎结构受力分析，包括轮胎骨架结构受力情况和橡胶结构受力变形情

况的对比分析，以研究滚动工况对轮胎结构力学性能的影响。

关键词：轮胎胎面花纹骨架结构橡胶滚动有限元分析

1.引言

根据轮胎行进方向与车轮中心平面（WheelCenterPlan，即垂直于轮胎旋转

轴的轮胎中分面）是否平行，轮胎的滚动工况可分为径直滚动和侧偏滚动；根据

车轮中心平面是否与地面垂直，可分为竖直滚动和侧倾滚动；根据轮胎和地面之

间是否存在相对滑转或相对滑移，则可以分为自由滚动、驱动和制动。不同的滚

动状态将对轮胎内部的受力变形状态产生显著的影响，并将进而影响轮胎的使用

性能。

本文将针对205/55R16半钢子午线轮胎，建立用于轮胎稳态滚动分析的，包

含纵横花纹的变节距的组合花纹轮胎模型；，使用Abaqus/Standard进行不同滚动

状态下的轮胎结构受力分析，包括轮胎骨架结构受力情况和橡胶结构受力变形情

况的对比分析，以研究滚动工况对轮胎结构力学性能的影响。

2.有限元模型

有限元模型如图1所示。在该轮胎模型中，对橡胶结构进行离散时均选用了

8节点的完全积分常压力杂交六面体单元（C3D8H）；骨架结构均使用了4节点

的减缩积分四边形面单元（SFM3D4R）。模型的相关数据如表1所示。

参考文献

图1有限元模型

表1轮胎模型的相关数据

模型

名称

胎面花纹部分

橡胶结构

单元数量

轮胎主体部分轮胎主体部分

橡胶结构骨架结构

总节点数模型总变量

总计

C60806421696425297228966700252258

模拟相关的工况参数包括：额定充气压力为250kpa，额定负荷为6027N，

轮胎行进速度为80km/h；自由滚动和侧倾滚动工况下的旋转角速度为72.438

rad/s，侧偏滚动工况下为72.404rad/s；最大驱动工况下的旋转角速度取83.0rad/s，

最大制动工况下的旋转角速度取62.0rad/s，侧倾工况下的侧倾角取-10～10o，侧

偏工况下的侧偏角取0～10o。

3.不同滚动工况对轮胎骨架结构受力特征的影响

本节通过对自由滚动、驱动、制动、侧倾滚动和侧偏滚动等稳态滚动工况下

的胎体层帘线和带束层帘线在接地端子午面内的轴力分布情况进行对比分析，来

研究滚动工况的改变对轮胎骨架结构受力性能的影响。

(1)胎体层帘线受力

各种稳态滚动工况下两层胎体层在轮胎接地端子午面（180o截面）内的帘线

轴力分布曲线分别如图2（第1胎体层）和图3（第2胎体层）所示。由图2可

见，与自由滚动工况相比，驱动和制动工况下的胎体层帘线轴力分布情况均与自

由滚动工况相同。在侧倾工况，帘线轴力分布与自由滚动工况明显不同，并且呈

现出明显的不对称性，尤其是在轮胎倾斜方向的一侧，帘线轴力的绝对值大幅增

加（成倍地增加）；但曲线上出现极大值的位置基本没有改变。正的侧倾角下和

负的侧倾角下的帘线轴力分布曲线基本关于轮胎中分面对称。在侧偏工况，上述

不对称性更加突出，在轮胎两侧的帘线受力绝对值均有更大幅度的增加（亦成倍

地增加），在胎冠部和胎肩部出现了很大面积的受压区域。由图3可见，在轮胎

右侧（图3中的左侧）的胎冠部，侧偏工况下第2胎体层帘线轴力分布与自由滚

动工况下的差异更加显著。由上述分析可以推测，在侧倾和侧偏工况下，尤其是

侧偏工况下，轮胎橡胶的受力变形情况将更加复杂。

(2)带束层帘线受力

各个滚动工况下轮胎接地端子午面（180o截面）内两层带束层的帘线轴力分

布曲线如图4和5所示。由图4和5可见，与自由滚动工况相比，驱动和制动工

况下两层带束层的帘线轴力分布总体上变化不大，但是由于帘线铺设角的影响，

出现了一定的不对称性。在侧倾工况，帘线受力的不对称性更加明显，除了带束

层端部之外的帘线受力分布曲线上的3个极值位置也向轮胎倾斜方向的一侧转

移，同时正的和负的侧倾角所产生的影响相反；帘线受力的最大值有所降低。在

侧偏工况，上述不对称性尤为突出，帘线受力的最大值有所增加，最小值有所减

小，在胎冠部中部附近的帘线趋向受压。由上述分析也可以推测，在侧