实心轮胎温度场的有限元分析及实验研究

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实心轮胎是用于低速、高负荷运行车辆的特殊工业轮胎,广泛应用于各种工业车辆、建筑机械车辆、港口机场的拖挂车辆等。轮胎在滚动过程中的生热是降低轮胎寿命的主要因素,而随着汽车工业的迅速发展,对轮胎的性能提出越来越高的要求。由于聚氨酯轮胎在各方面表现出优良的性能,其代替橡胶轮胎是世界轮胎工业的发展方向,所以,研究聚氨酯轮胎内部温度场的变化规律,找出轮胎温升的影响因素,并在此基础上,根据所表征的轮胎温度场变化趋势,对轮胎的结构设计及胶料配方设计提出合理的改进方法具有很重要的意义。 测量轮胎材料的导热系数是研究轮胎热学性能特别是轮胎温度场的重要基础。本文采用稳态法测试了某型号实心轮胎材料的导热系数,得出了在所研究温度范围内的线性回归方程。结果表明,聚氨酯材料的导热系数要小于橡胶基胎体材料,而且随着温度的升高导热系数是逐渐降低的。对于导热性能很差的轮胎材料来说,导热系数差将导致轮胎内部生成的热量散发不出去,结果导致轮胎温升过高,致使轮胎损坏。 为了对实心轮胎的温度场分布进行预测和找出轮胎滚动过程中温升的“最高点”,本文利用有限元分析软件ANSYS建立了某型聚氨酯/橡胶复合实心轮胎的瞬态热分析模型。并通过对华工百川自控科技有限公司开发的聚氨酯复合绿色环保轮胎进行的轮鼓测温实验,证实了该模型能够比较准确的反映该轮胎在实际使用过程中的内部温度场变化规律。根据有限元模型模拟结果和实验结果,发现实心轮胎的最高温度是在胎心橡胶部位,而且随着速度和载荷的增加,轮胎各部位的温度明显升高,胎心处温度的升高更是明显。轮胎破坏首先从聚氨酯和橡胶结合部位发生。 轮胎的主要破坏形式是热破坏、疲劳破坏和机械破坏,本文通过对实心轮胎的变形分析和生热机理的研究,探讨了影响轮胎寿命的因素,以及滚动轮胎温升的机理。滚动轮胎的生热主要是由于轮胎材料的粘弹性,使应变滞后于应力,产生了滞后损失,又由于轮胎材料的不良导热性,使能量在轮胎内部集聚。轮胎的疲劳寿命跟温度有着强烈的依存关系,本文利用断裂力学理论来预测实心轮胎的使用寿命,并对经验公式进行了修正,用修正后的经验公式对轮胎的理论寿命和实验寿命进行了比较,结果表明,经验公式可以比较准确的预估实心轮胎的寿命。
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