輪胎設(shè)計力學(xué)課件

《輪胎設(shè)計力學(xué)》第一講緒論

—輪胎設(shè)計力學(xué)的發(fā)展、內(nèi)容、任務(wù)

和研究方法參考資料：《充氣輪胎性能與結(jié)構(gòu)》 P157－187；P1－12§1.輪胎設(shè)計力學(xué)的發(fā)展

經(jīng)典設(shè)計理論——解析方法現(xiàn)代設(shè)計理論（第一階段）——引入有限元分析技術(shù)現(xiàn)代設(shè)計理論（第二階段）——引入優(yōu)化設(shè)計的理論和方法轉(zhuǎn)§2特點－經(jīng)典設(shè)計理論優(yōu)點：抓住了輪胎結(jié)構(gòu)中的最主要因素，對充氣狀態(tài)的輪胎整體力學(xué)特征作出了較恰當(dāng)?shù)拿枋?，是現(xiàn)代設(shè)計理論的基礎(chǔ)；形式上得到了解析解，便于應(yīng)用不足：過于簡化（如：不計橡膠受力；不計簾線的變形等），不適合描述結(jié)構(gòu)中的局部力學(xué)特征；僅適用于充氣狀態(tài)

返回現(xiàn)代設(shè)計理論（第一階段）最佳滾動輪廓理論RCOT(RollingContourOptimizationTheory)—BS公司（1985）最佳張力控制理論TCOT(TensionControlOptimizationTheory)—BS公司（1988）負(fù)載時應(yīng)變能最小化理論SEMT(StrainEnergyMinimizationTheory)—橫濱（1988）其它設(shè)計理論特點面臨的問題返回最佳滾動輪廓理論RCOT針對問題：轎車子午胎側(cè)偏時發(fā)生“皺曲”現(xiàn)象（高速情況下）思路：改變斷面輪廓形狀來提高帶束層張力辦法：采用有限元分析技術(shù)；減小胎側(cè)部曲率半徑，加大胎圈部曲率半徑（圖1－2）效果：改善了輪胎的行駛性能。被譽為“劃時代的新設(shè)計理論”返回思考題圖1－2RCOT輪廓和簾線張力分布返回受力特點思考題？1：若進(jìn)一步減小胎側(cè)曲率半徑，增大胎圈部曲率半徑，是否會使輪胎性能更加改善？？2：RCOT是否適合低斷面輪胎？？3：還有什么方法可提高帶束層張力？返回受力特點自然平衡輪廓：對子午胎來說，胎體簾線受均勻張力；（斜交胎是胎冠部最大）RCOT輪廓：胎體簾線張力在胎圈部位增大，胎側(cè)部位減小，胎冠部位也減小；帶束層張力提高。返回圖1－3充氣后輪廓形狀的變化TCOT傳統(tǒng)輪廓返回（兩者初始形狀不同，充氣后形狀接近）圖1－4充氣時胎圈部位的變形返回TCOT傳統(tǒng)輪廓負(fù)載時應(yīng)變能最小化理論SEMT針對問題：鋼絲載重子午胎的耐久性思路：承載狀態(tài)下力求同時減小帶束層端部和胎體簾布層反包端部的應(yīng)變能辦法：采用非線性有限元分析手段，得到了合適的輪廓形狀（圖1－5）以及四項新技術(shù)（圖1－6、圖1－7）效果：降低了應(yīng)變能；提高了耐偏磨性能和操縱穩(wěn)定性返回圖1－7SEMT的帶束層新結(jié)構(gòu)返回其它設(shè)計理論動態(tài)模擬最佳輪廓理論DSOC、DSOC-S（用于轎車）和動態(tài)穩(wěn)定性最佳接地面理論DSOC-T－東洋公司PSP（1987）、PSP-F理論－住友公司輪胎綜合技術(shù)理論（I理論）－大津公司最佳應(yīng)力應(yīng)變周期設(shè)計理論CSSOT－前蘇聯(lián)（1988）返回特點－現(xiàn)代設(shè)計理論（第一階段）要借助于有限元分析技術(shù)；提出了非平衡輪廓形狀設(shè)計理論，但仍需要利用平衡輪廓理論作初步設(shè)計；超出了形狀設(shè)計的范疇，可以考慮更多的設(shè)計因素，如局部構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式、不同部位選用不同性能的材料等；未完，見下頁面臨的問題－現(xiàn)代設(shè)計理論（第一階段）目標(biāo)性能的力學(xué)量描述（依賴于對結(jié)構(gòu)性能及其受使用條件和設(shè)計參數(shù)影響的規(guī)律性認(rèn)識，目前這種規(guī)律性研究的積累太少）；目標(biāo)性能的相互制約；設(shè)計參數(shù)與反映目標(biāo)性能的力學(xué)量之間的關(guān)系復(fù)雜；未完，見下頁（續(xù)上頁）設(shè)計參數(shù)太多（設(shè)計變量空間幾乎是無限的），有必要對其進(jìn)行分類研究；選取設(shè)計參數(shù)時靠試算的辦法，一般只能取得相對好的、而不是最好的設(shè)計方案；有限元計算的精度問題；計算量太大返回上一頁設(shè)計變量（舉例）非結(jié)構(gòu)因素：氣壓、載荷、速度、環(huán)境溫度等非參數(shù)化的結(jié)構(gòu)因素：輪胎規(guī)格；簾線規(guī)格；帶束層結(jié)構(gòu)形式、鋼絲圈截面形狀和方位；橡膠材料的分布（包括種類、用量、位置、形狀等）；胎面花紋形式返回未完，接下頁返回圖1－8現(xiàn)代設(shè)計理論（第二階段）大統(tǒng)一輪胎理論GUTT(GrandUnifiedTheoryinTire)——BS公司（1995）優(yōu)化楊氏模量將各種優(yōu)化理論和方法引入設(shè)計中，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、遺傳算法等特點返回特點－現(xiàn)代設(shè)計理論（第二階段）引入了優(yōu)化設(shè)計思想和方法，理論上可獲得最佳或接近最佳的設(shè)計方案；有限元計算量更大，以至于無法實現(xiàn)（即使只對部分參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計）；目標(biāo)函數(shù)很難確定；總之，目前這種優(yōu)化設(shè)計理論實際上還沒有充分發(fā)揮作用，它是人們努力的目標(biāo)返回承載性能耐久性（規(guī)格確定時）P-δ曲線（徑向剛度）胎面接觸壓力分布的均勻性耐磨耗耐疲勞損傷基本性能耐材料老化薄弱部位E（應(yīng)變能）損耗的應(yīng)變能ELOSS、溫度圖1－9返回FX、縱向剛度CSFY、側(cè)偏剛度MZ、回正剛度FYmax

接觸面的摩擦力牽引性操縱性穩(wěn)定性抗側(cè)滑抗?jié)窕瑒恿μ匦詧D1－10返回環(huán)保性能低滾阻舒適性低噪聲振動特性包容、緩沖性車內(nèi)噪聲車外噪聲固有頻率、激振頻率帶束層及胎體剛度固有頻率、胎面花紋、斷面輪廓形狀等固有頻率、胎面花紋、斷面輪廓形狀等圖1－11返回應(yīng)變能損耗ELOSS，胎面摩擦高速性足夠的帶束層張力其它圖1－12返回使用性能基本性能：承載性能、耐久性能（耐磨耗、耐疲勞損傷、耐老化等）動力特性：牽引性能、穩(wěn)定性能、操縱性能、抗側(cè)滑和抗?jié)窕阅艿拳h(huán)保性能：低滾阻、低噪聲、舒適性等其它性能：如高速性能等返回力學(xué)性能應(yīng)力、應(yīng)力不變量分布應(yīng)變、應(yīng)變不變量分布結(jié)構(gòu)剛度應(yīng)變能分布接觸面上各合力分量接地壓力分布應(yīng)力強度因子、J積分等等（具有明確力學(xué)意義的表征參數(shù)）返回§3.輪胎設(shè)計力學(xué)的任務(wù)研究設(shè)計變量對輪胎結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律認(rèn)識和評價輪胎結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能為輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計提供必要的理論基礎(chǔ)和方法轉(zhuǎn)§2轉(zhuǎn)§4§4.輪胎設(shè)計力學(xué)的研究方法理論研究：進(jìn)行較為基本的、普遍的規(guī)律性研究；理論模型一般僅考慮少數(shù)最主要的因素；應(yīng)用方便、效率高。數(shù)值研究：分析層次深入，注重局部力學(xué)特征的研究；數(shù)值計算模型仍然需要對實際問題進(jìn)行一定程度的簡化；需要非常專業(yè)的技術(shù)，效率也有待進(jìn)一步提高。實驗研究：為理論和數(shù)值研究提供必需的參數(shù)；對理論和數(shù)值研究成果進(jìn)行驗證；需要理論和數(shù)值研究作指導(dǎo)以提高效率。轉(zhuǎn)§1轉(zhuǎn)§3轉(zhuǎn)§2習(xí)題用自己的語言盡可能多地指出自然平衡輪廓理論的重要性和不足之處。你認(rèn)為用解析方法對自然平衡輪廓理論是否還有改進(jìn)的必要性和可能性？總結(jié)RCOT、TCOT和SEMT設(shè)計理論的共同點和不同點。輪胎的使用性能有哪些？設(shè)計變量有那些？預(yù)習(xí)《材力》P1－88，不包括其中的§2.13圖1－13重力負(fù)荷下的P-δ曲線返回

圖1－14輪胎印跡法向