轮胎力学模型是车辆动力学分析和研究的基础。目前应用广泛的轮胎模型常采用经验或半经验的表达方式去精确描述轮胎的力学特性,如Magic Formula模型和Uni Tire模型,并且Uni Tire模型具有完整的理论框架,能够最大限度的减少模型参数,提高模型的预测能力,然而,随着使用工况范围的扩展,模型参数和所需的试验数据仍然不断增多,使得模型参数获取困难。而作为完全的物理模型,有限元模型能够对各种工况下轮胎力学特性进行表达,同时直接反映轮胎结构和材料参数对轮胎力学特性的影响,但其建模复杂,计算效率低,目前还难以应用在车辆动力学领域。结合各类模型的优点,开发一种结构简单,表达精度较高,适用范围广,参数物理意义明确且易于获取的轮胎模型具有重要的意义。本文通过离散胎面单元,对轮胎运动时接地印迹内胎面变形特性进行细致描述。推导轮胎力与胎面变形的一般表达式,实现复杂工况下轮胎力的解算,解决目前广泛使用的半经验模型扩展表达应用范围时需进行经验修正的问题,在扩大模型应用范围的同时提高了模型表达精度,降低模型参数的获取难度。论文首先分析了轮胎侧偏纵滑运动时的胎面变形特性,建立侧偏纵滑简化离散模型;其次通过有限元虚拟试验的手段探明了各工况下轮胎胎体侧纵向变形特征、接地印迹形状和压力分布变化规律,并完成其半经验建模;最后在简化离散模型基础上,引入胎宽和转偏的影响,结合胎体复杂变形、接地印迹形状和压力分布的变化特性、轮胎与路面间的动态摩擦特性,完成轮胎精细离散模型建模,实现各种工况下轮胎力学特性的准确表达与机理分析。论文的主要研究内容和结论如下:1)建立侧偏纵滑复合工况轮胎简化离散模型。不考虑胎宽、胎体弹性和压力分布的变化特性,在接地印迹长度方向上将轮胎印迹内的胎面划分为多个单元,分析轮胎在纯侧偏、纯纵滑和侧偏纵滑复合运动时,接地印迹内各胎面单元变形随印迹更新的变化特性,考虑不同滑移率下胎面单元的附着与滑移状态,建立侧偏纵滑复合工况轮胎简化离散模型。轮胎简化离散模型表达简洁,便于定性把握轮胎力学特性的宏观规律,为下一步建立轮胎精细离散模型奠定基础。2)接地印迹内胎体弹性、印迹形状和压力分布特性分析。利用有限元软件进行虚拟试验,对实际试验较难进行观测的胎体变形特性、接地印迹形状和压力分布特性进行研究。研究时首先根据实际轮胎几何尺寸和材料特性,建立轮胎有限元模型。并通过三向刚度试验、侧偏和纵滑力学特性试验结果对所建立的有限元模型进行验证,验证结果表明所建立的轮胎有限元模型有着较高的精度,满足研究的要求。然后利用有限元模型对轮胎单独受侧向力、纵向力、回正力矩及其耦合作用时胎体的变形特性进行分析,研究结果表明轮胎受侧向力作用时,胎体变形表现为侧向平移变形和弯曲变形,受纵向力作用时胎体变形则表现为纵向平移变形,在回正力矩作用下胎体会发生一定的扭转。最后对轮胎有限元模型进行侧偏纵滑运动仿真,对不同运动状态下轮胎的接地印迹形状和压力分布特性进行分析。仿真结果表明该目标轮胎自由滚动时,其接地印迹形状近似为一矩形。在侧向力作用下,轮胎接地区域上、下两端其中一端接地面积增加,另一端接地面积减小。印迹内的压力分布在印迹宽度方向上,向面积增加的一端偏移。正侧偏角下印迹上端压力分布增加,下端压力分布减小。在纵向力作用下,轮胎驱动时其印迹中心后端面积略有增加,前端稍有降低,与侧向力产生的接地印迹面积变化相比,纵向力对接地印迹面积变化的影响并不明显。驱动时印迹内压力分布向印迹中心后端发生偏移。轮胎制动时的接地印迹形状和压力分布变化规律与驱动时相反。3)轮胎精细离散模型建模。首先考虑胎宽的影响,对接地印迹内的胎面沿长度和宽度方向上划分为多个单元。接着根据试验观察结果建立宽度方向上接地印迹长度随侧向力变化的半经验表达式,考虑印迹内垂直应力分布特性随轮胎力的变化规律,对印迹内轮胎垂直应力一般分布表达式进行扩展。然后考虑胎体弹性的影响,采用一般胎体变形表达式,通过侧向平移刚度、扭转刚度、弯曲刚度和纵向平移刚度对胎体弹性进行表达。最后通过考虑胎面和胎体受力平衡,推导轮胎力与胎面下端坐标的一般表达式,并给出考虑滑移时轮胎力的求解方法,建立轮胎精细离散模型。通过纯侧偏、纯纵滑、侧偏纵滑、原地转向、侧偏角阶跃等多个工况轮胎力学特性试验结果对模型进行验证,验模结果表明所建立的轮胎精细离散模型具有较高的精度,可以对轮胎的稳态和非稳态力学特性进行准确的表达。4)轮胎力学特性变化机理分析。利用轮胎精细离散模型进行侧偏纵滑转偏工况仿真,得到轮胎不同运动状态下接地印迹内的胎面变形特性,从机理上对相应工况的轮胎力学特性进行解释。其中轮胎进行转偏运动时,在小转偏率下印迹中心前端和后端胎面单元的侧向变形方向相同,在大转偏率下变形方向相反,从而随着转偏率增大,轮胎侧向力先增大后减小,回正力矩逐渐增大。对不同侧偏角下,轮胎从高摩擦路面进入低摩擦路面和从低摩擦路面进入高摩擦路面时的力学特性进行试验和仿真研究,试验表明小侧偏角下路面摩擦特性变化时轮胎的侧向力和回正力矩变化平稳,大侧偏角下回正力矩在路面突变时会产生“尖峰”。利用轮胎精细离散模型分析可知新进入印迹内胎面单元的变形主要受侧偏角影响,当路面摩擦系数变化时,小侧偏角下路面过渡段内印迹前端和后端胎面变形差异小,大侧偏角下胎面变形差异大,使得大侧偏角下路面变化时轮胎回正力矩会出现“尖峰”。5)轮胎力学特性预测。分析轮胎精细离散模型参数与轮胎结构特性的对应关系,研究模型参数获取方法。根据轮胎平移时胎面变形特性,采用轮胎精细离散模型实现轮胎平移力学特性表达,进而应用轮胎纯工况数据和三向刚度数据辨识轮胎精细离散模型参数,对复合工况轮胎力学特性进行预测并与试验结果进行对比。对比结果表明精细离散模型对复合工况轮胎力具有很好的预测能力。本文主要创新点如下:1、提出一种新的轮胎操稳模型建模方法,着重研究了轮胎接地印迹内的应力特性,其参数容易获取,且应用范围广、精度高。2、基于胎面力与胎体力的平衡,推导了利用胎面单元与路面接触位置信息计算轮胎力的公式,建立迭代求解流程,实现轮胎力的快速求解。3、提出接地印迹形状和压力分布更新的半经验表达式,建立基于接地印迹分析的轮胎精细离散模型,揭示侧偏、纵滑、侧偏纵滑、转偏和路面摩擦系数突变时的轮胎力学特性变化机理。