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1、轮胎设计力学,,第一讲 绪 论 轮胎设计力学的发展、内容、任务 和研究方法,参考资料：充气轮胎性能与结构 P157187；P112,1.轮胎设计力学的发展,经典设计理论解析方法 现代设计理论（第一阶段）引入有 限元分析技术 现代设计理论（第二阶段）引入优化设计的理论和方法,转2,经典设计理论,薄膜理论，Purdy (1928) 网络理论，Hofferberth (1956) 自然平衡轮廓理论，Biderman (1957) 修正的自然平衡轮廓理论，Akasaka (1981) 特点,返 回,特点经典设计理论,优点： 抓住了轮胎结构中的最主要因素，对充气状态的轮胎整体力学特征作出了较恰当的描述，
2、是现代设计理论的基础； 形式上得到了解析解，便于应用 不足： 过于简化（如：不计橡胶受力；不计帘线的变形等），不适合描述结构中的局部力学特征； 仅适用于充气状态,返 回,现代设计理论（第一阶段）,最佳滚动轮廓理论RCOT (Rolling Contour Optimization Theory)BS公司（1985） 最佳张力控制理论TCOT (Tension Control Optimization Theory)BS公司（1988） 负载时应变能最小化理论SEMT (Strain Energy Minimization Theory)横滨（1988） 其它设计理论 特点 面临的问题,返 回,
3、最佳滚动轮廓理论RCOT,针对问题：轿车子午胎侧偏时发生“皱曲”现象（高速情况下） 思路：改变断面轮廓形状来提高带束层张力 办法：采用有限元分析技术；减小胎侧部曲率半径，加大胎圈部曲率半径（图12） 效果：改善了轮胎的行驶性能。被誉为“划时代的新设计理论”,返 回,思考题,图11 “皱曲”现象示意图,返回,图12 RCOT轮廓和帘线张力分布,返回,受力特点,思考题,？1 ：若进一步减小胎侧曲率半径，增大胎圈部曲率半径，是否会使轮胎性能更加改善？ ？2 ：RCOT是否适合低断面轮胎？ ？3 ：还有什么方法可提高带束层张力？,返 回,受力特点,自然平衡轮廓：对子午胎来说，胎体帘线受均匀张力；（斜交
4、胎是胎冠部最大） RCOT轮廓：胎体帘线张力在胎圈部位增大，胎侧部位减小，胎冠部位也减小；带束层张力提高。,返 回,最佳张力控制理论TCOT,针对问题：载重子午胎的耐久性 思路：减小带束层端部和帘布层反包端部的变形 办法：利用有限元分析手段；考虑负载下的偏心效果，控制行驶状态的张力来降低带束层端部变形；利用充气压力来控制轮廓形状，以减小帘布层反包端部的变形（图13、图14） 效果：维持其它原有性能的情况下，大幅度提高了胎圈及带束层的耐久性,返 回,图13 充气后轮廓形状的变化,TCOT,传统轮廓,返回,（两者初始形状不同，充气后形状接近）,图14 充气时胎圈部位的变形,返回,TCOT,传统轮廓
5、,负载时应变能最小化理论SEMT,针对问题：钢丝载重子午胎的耐久性 思路：承载状态下力求同时减小带束层端部和胎体帘布层反包端部的应变能 办法：采用非线性有限元分析手段，得到了合适的轮廓形状（图15）以及四项新技术（图16、图17） 效果：降低了应变能；提高了耐偏磨性能和操纵稳定性,返 回,图15 SEMT轮廓形状,图16 SEMT的四项新技术,返 回,1带束层新结构 2直线型胎侧 3肩部条形花纹 4耐疲劳胶料,返回图19,图17 SEMT的带束层新结构,返回,其它设计理论,动态模拟最佳轮廓理论DSOC、DSOC-S（用于轿车）和动态稳定性最佳接地面理论DSOC-T东洋公司 PSP（1987）、
6、PSP-F理论住友公司 轮胎综合技术理论（I理论）大津公司 最佳应力应变周期设计理论CSSOT前苏联（1988）,返 回,特点现代设计理论（第一阶段）,要借助于有限元分析技术； 提出了非平衡轮廓形状设计理论，但仍需要利用平衡轮廓理论作初步设计； 超出了形状设计的范畴，可以考虑更多的设计因素，如局部构件的结构形式、不同部位选用不同性能的材料等；,未完，见下页,（续上页）,可考虑各种工况下的轮胎载荷； 可对局部性能进行改进设计； 可针对性地根据使用要求设计出不同性能的轮胎； 拓宽了轮胎结构设计的空间； 不具有普适性，难以掌握 不能完全代替轮胎实验，但可以减少轮胎试验，缩短产品开发的周期。,返 回,
7、上 页,面临的问题现代设计理论（第一阶段）,目标性能的力学量描述（依赖于对结构性能及其受使用条件和设计参数影响的规律性认识，目前这种规律性研究的积累太少）； 目标性能的相互制约； 设计参数与反映目标性能的力学量之间的关系复杂；,未完，见下页,（续上页）,设计参数太多（设计变量空间几乎是无限的），有必要对其进行分类研究； 选取设计参数时靠试算的办法，一般只能取得相对好的、而不是最好的设计方案； 有限元计算的精度问题； 计算量太大,返 回,上一页,设计变量（举例）,非结构因素：气压、载荷、速度、环境温度等 非参数化的结构因素 ：轮胎规格；帘线规格；带束层结构形式、钢丝圈截面形状和方位 ；橡胶材料的
8、分布（包括种类、用量、位置、形状等） ；胎面花纹形式,返 回,未完，接下页,返回图18,续上页,可参数化的结构因素： （1）几何参数：内、外轮廓形状的表示（目前一般将胎冠、胎肩、胎侧和胎圈部分别研究）；胎体的形状与位置，尤其是反包部位的形状和高度；钢丝圈的位置；每一带束层的形状、宽度及厚度方向的位置；帘线的排列方向和密度 ；（2）材料参数： 应力与应变关系、强度、疲劳性能；热学参数；老化性能；（3）工艺参数,返 回,上 一 页,返回图18,现代设计理论（第二阶段）,大统一轮胎理论GUTT (Grand Unified Theory in Tire)BS公司（1995） 优化杨氏模量 将各种优化
9、理论和方法引入设计中，如神经网络理论、遗传算法等 特点,返 回,特点现代设计理论（第二阶段）,引入了优化设计思想和方法，理论上可获得最佳或接近最佳的设计方案； 有限元计算量更大，以至于无法实现（即使只对部分参数进行优化设计）； 目标函数很难确定； 总之，目前这种优化设计理论实际上还没有充分发挥作用，它是人们努力的目标,返 回,2.轮胎设计力学的内容,轮胎材料力学 轮胎结构力学 轮胎实验力学 轮胎操纵力学 轮胎工艺力学 轮胎噪声,转1,转3,使用性能,力学性能 （目标性能的力学描述）,设计参数和使用条件,桥梁作用,图18,返 回,承载性能,耐久性,（规格确定时）P-曲线（径向刚度）,胎面接触压力
10、分布的均匀性,耐磨耗,耐疲劳损伤,基本性能,耐材料老化,薄弱部位E（应变能）,损耗的应变能ELOSS、温度,图19,返 回,图110,返 回,环保性能,低滚阻,舒适性,低噪声,振动特性,包容、缓冲性,车内噪声,车外噪声,固有频率、激振频率,带束层及胎体刚度,固有频率、胎面花纹、断面轮廓形状等,固有频率、胎面花纹、断面轮廓形状等,图111,返 回,应变能损耗ELOSS，胎面 摩擦,图112,返 回,使用性能,基本性能：承载性能、耐久性能（耐磨耗、耐疲劳损伤、耐老化等） 动力特性：牵引性能、稳定性能、操纵性能、抗侧滑和抗湿滑性能等 环保性能：低滚阻、低噪声、舒适性等 其它性能：如高速性能等,返 回
11、,力学性能,应力、应力不变量分布 应变、应变不变量分布 结构刚度 应变能分布 接触面上各合力分量 接地压力分布 应力强度因子、J积分 等等（具有明确力学意义的表征参数）,返 回,3.轮胎设计力学的任务,研究设计变量对轮胎结构性能的影响规律 认识和评价轮胎结构的力学性能 为轮胎结构设计提供必要的理论基础和方法,转2,转4,4.轮胎设计力学的研究方法,理论研究：进行较为基本的、普遍的规律性研究；理论模型一般仅考虑少数最主要的因素；应用方便、效率高。 数值研究：分析层次深入，注重局部力学特征的研究；数值计算模型仍然需要对实际问题进行一定程度的简化；需要非常专业的技术，效率也有待进一步提高。 实验研究
12、：为理论和数值研究提供必需的参数；对理论和数值研究成果进行验证；需要理论和数值研究作指导以提高效率。,转1,转3,转2,习题,用自己的语言尽可能多地指出自然平衡轮廓理论的重要性和不足之处。你认为用解析方法对自然平衡轮廓理论是否还有改进的必要性和可能性？ 总结RCOT、TCOT和SEMT设计理论的共同点和不同点。 轮胎的使用性能有哪些？设计变量有那些？ 预习材力P188，不包括其中的2.13,图113 重力负荷下的P-曲线,返 回,图114 轮胎印迹法向压力分布,返 回,胎面位移,图115 重力负荷下胎面位移（水平面上的投影）,返 回,图116 轮胎的动力特性曲线,返 回,轮胎坐标系,图117 无侧倾时的轮胎坐标系,返 回,动力特性曲线,侧偏示意图,图118 轮胎侧偏示意图,返 回,