高速轮胎爆胎失效的驻波机理与试验研究

Tire blow-out is one of three killers in road traffic accidents. The failure process is a nonlinear transient problem under the condition of large deformation. In the drum tests of tire, nowadays it mainly adopted a simple tire model simulation and the traditional drum test methods using 'High-speed camera -Data collection'. The project intends to adopt a 3-D patterned detailed tire model to improve accuracy of simulation and forecast about tire critical speed. Using frequency hysteresis plus laser ranging drum test methods to achieve critical speed non-contact measurement. The project uses the nonlinear viscoelastic finite element theory to study with the standing wave deformation law and mechanism on radial tire blow-out failure process and to establish accurate mathematical model of the critical speed. Researching the multi-physics fields coupled problem of stress-strain field, configuration structure field and temperature field under the large deformation condition based on arbitrary Lagrange-Euler description the finite element method. It predicts the course and evolutionary process of tire blow-out failure. Designing a new online accurate high-speed test system is to solve the problem of the tire deformation measurement during standing wave. The project researches the impact and law on the critical speed under different kinds of the patterns, materials, tire pressure, loads and temperature through physical experiment and verifies the reliability of the critical speed of numerical calculation. The results of this research can provide the theoretical basis for designing and intelligent monitoring of safety tire.

汽车轮胎爆胎是道路交通事故的三大杀手之一，其失效过程是大变形条件下的非线性瞬态问题。轮胎转鼓试验中，目前主要采用简单轮胎模型进行仿真和"高速摄像-数据采集"传统的测试方法。项目拟采用带花纹的详实轮胎模型提高爆胎临界速度仿真预测的精度，并采用频率迟滞加激光测距的方法实现临界速度的非接触式测量。运用非线性粘弹性有限元理论，研究带花纹子午线轮胎爆胎失效过程中的驻波形变规律和驻波机理，建立临界速度的精确数学模型；基于任意的拉格朗日-欧拉描述的有限元法，研究子午线轮胎在大变形条件下的应力应变场、构形结构场、温度场的多物理场耦合问题，预测爆胎失效过程中损坏的产生和演化过程；设计新型轮胎驻波测试系统，解决轮胎形变的在线高速精密测量问题；通过物理试验研究轮胎花纹、材料、胎压、载荷、温度对临界速度及轮胎失效损坏的影响及其规律，并验证临界速度数值计算的可靠性。研究成果可为安全轮胎的设计和智能监控提供理论依据。

高速轮胎的驻波现象是轮胎爆胎失效的主要原因，研究轮胎的驻波机理及爆胎本质对研发安全防爆轮胎有重要意义。本项目对轮胎橡胶材料和帘线骨架材料进行大变形及失效力学行为研究，得到合适的橡胶本构模型；通过ABAQUS软件，结合橡胶和帘线的实验参数曲线，建立精确的子午线轮胎参数化有限元模型。利用力学特性综合实验台，开展轮胎垂直刚度、侧向刚度、纵向刚度、扭转刚度、刺破能及脱圈阻力等实验，结果表明轮胎的帘布层帘线强度、带束层的层数等对轮胎爆胎安全性有着很大的影响；利用该试验台进行轮胎接地应力分布规律的研究，运用各向异性-粘弹性材料模型，建立带花纹轮胎与路面阻尼摩擦过程中的摩擦接触模型；研究子午线轮胎在大变形条件下的应力应变场、构形结构场等多物理场耦合问题，结果表明：随着垂向作用力的增大，印痕的宽度变化较小、长度变化较大，胎压过低容易导致胎肩处应力过于集中。基于斜向波理论揭示了轮胎高速滚动时的驻波产生机理，利用高速均匀性试验机测量轮胎在不同工况下出现驻波的临界速度以及在轮胎的结构中最早出现驻波的位置点，测量出的径向力波动谐波、侧向力波动谐波等，分析得出在胎面处最容易出现驻波现象。通过对比静态实验、高速实验与相应有限元仿真的结果，拟合较好，有限元模型较为准确，可以为轮胎企业提供参数化模型，方便轮胎的优化设计。通过分析高速滚动的轮胎帘线受力规律，揭示了轮胎爆胎失效的原理，结果表明帘布层帘线反包点受转速的影响较大；受驻波现象影响，帘布层胎侧帘线点在接地位置后方受力呈明显波浪式变化，速度越高，幅度越大；带束层帘线端点随着轮胎速度的增加，受力极值和波动幅度均增大。本项目的实验结论、仿真结果及理论依据等均可以为安全轮胎的设计提供参考。