張偉旗

(江西銅業(yè)集團銅材有限公司，江西貴溪 335424)

基于ANSYS的大型電動輪巨型輪胎失效仿真研究

張偉旗

(江西銅業(yè)集團銅材有限公司，江西貴溪 335424)

分析了國內(nèi)外大型礦山電動輪汽車巨型工程子午線輪胎的技術(shù)研究現(xiàn)狀；針對德興銅礦巨型輪胎的主要失效機制、危害及關(guān)鍵技術(shù)問題，通過輪胎有限元失效仿真研究，可預(yù)測輪胎老化程度及壽命，更貼近輪胎運行的實際工況，提高了輪胎綜合性能分析的精確性，進一步夯實了輪胎的動態(tài)接觸分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的理論基礎(chǔ)，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

大型電動輪；巨型輪胎；失效形式；仿真分析

0 引言

隨著全球資源供需格局的變革和重大調(diào)整，煤炭、鐵、銅、鋁、鉛鋅、錫、鎳、鉬等礦產(chǎn)資源的市場需求猛增，大型礦山電動輪汽車的保有量猛增，特別適用于地形復(fù)雜、開采分散、需均衡配礦及多點排倒的各類礦山。多年來，其重要部件巨型全鋼工程子午線輪胎(簡稱輪胎)核心技術(shù)長期被國外封鎖和市場壟斷，從2004年起， Michelin、Bridgestone、Goodyear三大品牌輪胎國際市場需求極為強勁，進口數(shù)量呈井噴之勢，且價格不斷飆升，但國產(chǎn)輪胎生產(chǎn)技術(shù)尚未成熟，造成胎源極度短缺。

江銅德興銅礦(簡稱德銅)銅廠和富家塢采區(qū)日采選礦石產(chǎn)能13萬t/d，其礦石年采剝總量巨大，達1.32億t/a。截至2014年底，現(xiàn)有830E、730E、630E、EH3500、R-190Ⅲ、R-170型電動輪汽車共 63 臺，其配套進口關(guān)鍵部件40.00R57、37.00R57、36.00 R51等規(guī)格輪胎價格昂貴，且供不應(yīng)求；輪胎使用合理與否，直接影響車輛的正常運行及成本能耗，開支巨大。德銅輪胎長期依賴進口，采購難、返修難、損耗量大、胎源緊缺，且輪胎費用隨著車輛載質(zhì)量噸位加大而增大?，F(xiàn)場統(tǒng)計表明：因輪胎失效，德銅采礦區(qū)年損耗進口和國產(chǎn)輪胎約400條，每條運行周期大于2 400 h，且輪胎采購成本超過車輛運營成本的30%。為打破國外長期的壟斷及技術(shù)封鎖格局，針對輪胎主要失效形式、危害及關(guān)鍵技術(shù)問題進行分析，創(chuàng)建輪胎有限元失效仿真模型，對確保行車安全、提高車輛可開動率、降低總運輸成本、延長輪胎使用壽命，意義重大。

1 技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

巨型子午線輪胎與斜交輪胎相比，耐磨性好、節(jié)油、壽命長及性價比高，歐美等發(fā)達國家均裝配子午線輪胎，已基本淘汰斜交輪胎；而目前我國斜交輪胎廠大多處于停產(chǎn)或半停產(chǎn)狀態(tài)，57″以上子午線輪胎因技術(shù)難度大，開發(fā)進展緩慢。巨型輪胎因結(jié)構(gòu)設(shè)計和受力狀況復(fù)雜，材料分布不均，運行時需承受內(nèi)壓、離心載荷、輪胎輪輞與地面之間的摩擦力及周期性變化的非對稱載荷，具備典型的材料非線性、接觸非線性及大變形等復(fù)雜力學(xué)特性。而我國在產(chǎn)品研發(fā)、壽命、檢測、試驗、現(xiàn)場服務(wù)等方面均與國際三大巨鱷差距較大，大批量生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化尚待時日。輪胎力學(xué)研究通?？煞譃檩喬シ€(wěn)態(tài)力學(xué)、動態(tài)力學(xué)、有限元分析及實驗研究等領(lǐng)域，根據(jù)輪胎動力學(xué)模型建立仿真模型，模擬輪胎因車速、載荷、發(fā)熱、路面性質(zhì)和環(huán)境及輪胎材料等因素的變化而變化即在不同工況下的受力特點，一直是國內(nèi)外學(xué)者長期探討和研究的重點和難點。

巨型輪胎集制造工藝、材料、裝備、檢測等高科技技術(shù)于一身，它與載重子午線輪胎相比，因無法從國外引進軟硬件技術(shù)，國內(nèi)企業(yè)仍在摸索中。而隨著科技進步和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機的控制理論、仿真技術(shù)、模態(tài)分析、性能預(yù)測與估計、優(yōu)化設(shè)計、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、多體力學(xué)理論、有限元理論及模糊分析方法等已廣泛應(yīng)用于車輛動力學(xué)、輪胎力學(xué)研究理論。輪胎力學(xué)理論分析技術(shù)已從網(wǎng)絡(luò)理論、薄膜理論、薄殼理論、層合理論等經(jīng)典分析理論發(fā)展至有限元理論，且逐步開拓出新的領(lǐng)域。

特別是近年來，輪胎有限元技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用廣泛，常用于輪胎分析的商業(yè)軟件有Pro/E、ANSYS、ADAMS、ABAQUS、MARC、MSC/NASTRAN等，但因輪胎結(jié)構(gòu)材料及工況的復(fù)雜性、特殊性及不可預(yù)見性，因而發(fā)展?jié)摿薮?。隨著國際輪胎工業(yè)的新一輪技術(shù)革命，輪胎后工業(yè)化時代的來臨，輪胎技術(shù)現(xiàn)正朝著輪胎子午線化、翻新化、輕量化、防滑、泄氣保用、低噪聲、智能、仿生、仿真、綠色、納米等方向迅猛發(fā)展。

2 主要失效形式及危害

該礦全部使用全鋼子午線無內(nèi)胎輪胎，運輸?shù)缆芬运槭访婢佣?，部分路段鋒利尖石多，輪胎運行過程中的主要失效形式有局磨、刺破、割裂、研胎、裂紋、掉塊、剝離及爆破等，且以雨雪冰霧塵等惡劣天氣最為突出。其中，局磨對輪胎壽命是致命的，會直接破壞輪胎結(jié)構(gòu)，一旦輪胎花紋超過磨耗極限值時，既無翻新價值，又無法修補，只得作報廢處理；車輛在起步、上下坡及制動時，輪胎易產(chǎn)生滑移，直接導(dǎo)致輪胎發(fā)生竄位、跑偏或甩尾，會嚴重損害輪胎胎體的強度及耐磨性，對安全生產(chǎn)威脅大[1]。

輪胎的充氣標準是根據(jù)輪胎構(gòu)造、材料強度及實際負荷而規(guī)定的。若不按標準充氣或輪胎不正確充氣，易導(dǎo)致輪胎早期磨損和損壞，輪胎易被鋒利尖石刺破，釀成重特大人身設(shè)備事故。輪胎氣壓過高時，汽車平順性降低，且易使處于應(yīng)力狀態(tài)的胎面花紋塊基部產(chǎn)生裂口，膠料磨損性能下降，輪胎壽命縮短；氣壓過低時，輪胎將在重力作用下變形，并隨著氣壓降低而增大，胎體應(yīng)力增大，與地面接地面積增大，使胎肩磨耗和不規(guī)則磨損增大；輪胎產(chǎn)生異熱，會使胎溫升高，橡膠老化，簾線脫層，嚴重時簾線折斷破壞，行駛阻力增加，燃料消耗大[2]。

在雨雪冰霧塵等極端天氣下，輪胎損耗明顯超過年平均值，特別是每年汛期來臨，輪胎異常磨損及刺破現(xiàn)象最為嚴重，且重載下坡車輛后輪常發(fā)生橫向或縱向滑移即“甩尾”現(xiàn)象，容易割傷輪胎，處理不及時，傷口會擴展，滲透力強的雨雪水或空氣沿著輪胎傷口逐步地沖刷、滲透入鋼絲層，使其快速氧化、銹蝕或折斷，逐漸脫離胎面膠，傷口變大且加深，維修不及時會導(dǎo)致輪胎局部剝離、掉塊等早期損壞或報廢；即使輪胎未漏氣繼續(xù)使用，表面剝離、脫空輪胎的傷口不足以抵抗巨大的沖擊、異常割傷及碰撞，輪胎易爆裂，安全隱患極大。

司機為搶任務(wù)違章超載、超速時有發(fā)生，輪胎撞到鋒利尖石或障礙物，它所承受的應(yīng)力和變形過大，輪胎易產(chǎn)生內(nèi)裂、過熱或爆破；裝載量過前或過后，前輪或后輪超負荷，尤其是復(fù)雜路面輪胎磨損加劇、轉(zhuǎn)向操作難或“發(fā)飄”失去抓著力，裝載跑偏側(cè)輪胎超負荷，受壓變形過大，易損壞輪胎或側(cè)翻；產(chǎn)生局磨、割傷、剝離或胎體部分鋼絲損傷的輪胎易沖擊爆裂，且以后輪居多，該失效比例不大，但巨大的沖擊波易傷及人身及設(shè)備；若二前輪之一發(fā)生爆裂，會造成翻車、大梁扭曲，嚴重損壞懸掛及羊角軸等，導(dǎo)致重大人身及設(shè)備事故，經(jīng)濟損失巨大。

3 輪胎失效有限元仿真研究

巨型輪胎主要是由多種材料復(fù)合而成，具有多層結(jié)構(gòu)，力學(xué)結(jié)構(gòu)和截面形狀相當復(fù)雜。目前尚無普適理論或經(jīng)驗公式可直接用于指導(dǎo)其設(shè)計，有限元法則較適用于輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計方案優(yōu)選、輪胎失效機制分析及失效仿真研究，在輪胎設(shè)計、結(jié)構(gòu)性能分析中發(fā)揮著重大的作用。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在胎面磨損和內(nèi)部裂紋擴展分析，主要涉及材料學(xué)、摩擦學(xué)、斷裂力學(xué)及損傷理論。作者采用層合結(jié)構(gòu)模型，通過硫化、膠合等方式將胎面層、緩沖層、胎體層不同材料的橡膠單元粘合成為一個復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體，輪胎二維有限元模型，如圖1所示。針對其進行大變形有限元分析和加載試驗研究，進行力學(xué)性能差異對比，從而為輪胎的失效機制、性能研究及胎體壽命預(yù)測提供理論依據(jù)。

3.1 輪胎模型的簡化

(1)模型創(chuàng)建要求

實際工程問題往往相當復(fù)雜，形狀迥異且千姿百態(tài)，支撐邊界種類繁多，輪胎載荷工況更是變化莫測，必須對輪胎模型進行簡化處理，否則建模工作量將倍增，困難極大。建模時，要求在保證計算精度的前提下，盡量降低計算成本，避免出現(xiàn)因計算機容量和計算速度的限制而無法計算等問題；力學(xué)模型應(yīng)具有足夠的準確性，且綜合考量形狀與結(jié)構(gòu)及邊界條件的一致性。

(2)假設(shè)條件和定義

現(xiàn)以德銅730電動輪汽車37.00R57型典型規(guī)格輪胎作為載體進行分析，遵循以下假設(shè)條件建立面向動力學(xué)模型特性分析的仿真模型：①剛體定義。除彈性元件之外，整車系統(tǒng)中的其余零部件及路面皆為剛體；②動力學(xué)性能。不計車輛發(fā)動機和傳動系統(tǒng)的振動及對車輛的影響；③邊界條件。接觸問題宜通過直接約束法加以解決，給定路面移向軸心和輪輞沿軸向的位移，將可能與路面、輪輞發(fā)生接觸的單元定義為可變形體；④載荷工況。對模型先后施加的載荷，主要有：由輪輞沿X方向即軸向的位移來實現(xiàn)輪輞定位載荷，充氣壓力施加于輪胎的內(nèi)表面，根據(jù)路面相對于輪胎軸心的下沉量來實現(xiàn)靜負荷，由輪胎的扭矩控制自由滾動，由輪胎的轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)態(tài)滾動。

(3)輪胎模型簡化

應(yīng)嚴格簡化輪胎模型，否則無法得到所需結(jié)果。針對輪胎材料屬性，將輪胎胎冠層、胎體層簡化為各種同性材料，其彈性模量則由試驗測得。輪胎材料屬性詳見表1。

表1 輪胎材料屬性

模擬垂直工況時，可適當簡化輪胎約束或輪胎某些部位，如將輪胎模型簡化為胎冠、胎側(cè)、胎體、帶束層、三角膠及鋼絲圈。為得到滿意的仿真模型，網(wǎng)格劃分時需簡化輪胎模型，如：省略花紋和補強層；將胎側(cè)和鋼絲帶束層鄰接部位狹長的幾何尖角改為倒角；合并胎側(cè)和小胎側(cè)；為平滑過渡，將鋼絲圈與三角膠鄰接部位倒成圓角；取消易拓撲退化的胎圈處圓角，改為兩條直線相交等。

(4)加載分析條件

① 在自重條件下，充氣后(氣壓設(shè)定為0.84 MPa)輪胎的變形特征；② 此時地面與輪胎之間線接觸，地面底部不變形(變形約束條件)，主要以胎體側(cè)向變形為主；③ 充氣后，滿載184 t輪胎的變形特征；④ 滿載且以速度35.4 km/h、角速度5.8 rad向前運動的輪胎變形分析；⑤溫度與壓力的耦合作用。輪胎靜載荷施加圖如圖2所示。輪胎動載荷施加示意圖如圖3所示。

(5)模型創(chuàng)建及ANSYS導(dǎo)入

先創(chuàng)建輪胎與地面的接觸模型，建立約束、施加均布載荷。網(wǎng)格劃分時，操作易失敗或生成嚴重變形單元；對輪胎側(cè)偏特性研究，僅需胎冠表面結(jié)果而已，故對輪胎截面內(nèi)部形狀稍作修改，對胎冠、胎側(cè)的影響并不大。為精確分析接觸區(qū)域的應(yīng)力-應(yīng)變場，需細分接地部分網(wǎng)格，且劃分密度為10。由平面網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)拉伸生成3/4三維模型。輪胎網(wǎng)格劃分圖如圖4所示。

在ANSYS中，建立準確而可靠的結(jié)構(gòu)的有限元失效仿真模型，關(guān)系到計算結(jié)果的正確與否，極為關(guān)鍵。其主要做法是利用拉伸、實體化、陣列、環(huán)形折彎、鏡像、復(fù)制特征等工具來創(chuàng)建輪胎與地面裝配的三維實體輪胎模型，如拉伸，需利用低維網(wǎng)格來生成高維網(wǎng)格等。而輪胎與地面的接觸及大變形等皆為強非線性問題，必須加強對輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計和失效仿真的研究，具體則涉及建模過程中的單元選擇、材料特性、網(wǎng)格劃分、載荷、約束條件及求解方法等。

ANSYS在默認狀況下，因無法對Pro/E中pat和asm文件進行直接轉(zhuǎn)換，需對ANSYS設(shè)置連接過程進行相應(yīng)配置來激活模塊，將ANSYS的路徑追加至path、輪胎模型導(dǎo)入ANSYS軟件。但在實際建模時，針對輪胎承載變形特性的變化規(guī)律，應(yīng)不斷修正輪胎變形理論計算公式，對該仿真模型進行反復(fù)驗證與調(diào)整，使仿真結(jié)果的精度較高。輪胎與輪輞間的接觸換熱可用熱-耦合分析方法來完成，熱-耦合分析方法可通過施加速度邊界條件、熱邊界條件來實現(xiàn)[3]。輪胎失效仿真模型圖如圖5所示。

3.2 仿真試驗研究及結(jié)果分析

研究主要基于ANSYS軟件非線性分析技術(shù)，采用三位體單元和接觸單元，利用Pro/E的強大建模功能建立高速重載輪胎三維模型。通過專用模型數(shù)據(jù)接口技術(shù)將模型導(dǎo)入ANSYS中，劃分網(wǎng)格前需定義單元類型和屬性、實常數(shù)及材料屬性；利用有限元方法極為有效，可模擬輪胎模型的受力特點，獲得重載輪胎在不同壓力場和溫度場下的應(yīng)力、應(yīng)變分布狀況，深入研究輪胎綜合應(yīng)力、應(yīng)變分布狀況及預(yù)測輪胎壽命，為輪胎動態(tài)接觸分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計制造奠定理論基礎(chǔ)，減少或取代部分輪胎試驗。

以高速重載輪胎承載變形特性為出發(fā)點，利用復(fù)合材料層單元來模擬輪胎的材料類型，建構(gòu)層合結(jié)構(gòu)模型，考慮拉壓耦合及彎矩的影響，能處理接觸區(qū)域等有效曲率部位的變化，預(yù)測輪胎應(yīng)力-應(yīng)變和斷面輪廓形狀，更接近層合材料表現(xiàn)的總體性能；創(chuàng)建力學(xué)模型后，采用接觸單元法、可變約束法、分步載荷法進行加載，如利用合適的接觸算法計算可得到應(yīng)力和熱流，設(shè)定不同的參數(shù)即可模擬出作業(yè)狀態(tài)或不同工況下的磨損狀況及不均勻模式即非正常磨損狀況[4]；建立承載變形測試系統(tǒng)，利用專用輪胎加載機對不同工況進行模擬加載試驗，選用充氣壓力變化、載荷不變或充氣壓力不變化、載荷變化2種工況，分別測定老化輪胎與同牌號同規(guī)格新輪胎的變形量，利用大變形自由迭代方式求解收斂曲線，仿真結(jié)果可采用通用后處理器POST 1進行查看。

作者應(yīng)用自主研發(fā)的TYSYS輪胎專用有限元分析軟件，對37.00R57輪胎進行失效仿真分析。仿真分析結(jié)果表明：輪胎充氣壓力大小決定著帶束層受力的基本狀況，在接地區(qū)里主要是靜載荷影響帶束層的受力狀況，對鋼絲圈的應(yīng)力則影響不大；施加靜載荷后，開始充氣時胎面易偏移中心節(jié)點，而非接地面中心胎面位移量隨之變大和波動，且與充氣壓力呈線性關(guān)系；在接地區(qū)域下沉量一定的條件下，路面接觸反力隨著充氣壓力的增大而增大，且它們大致呈線性關(guān)系，輪胎胎體簾線層和帶束層產(chǎn)生變形，胎圈外側(cè)和帶束層邊緣應(yīng)變增大，進而可預(yù)測輪胎滾動過程中，生熱快、散熱難、胎溫驟升、與肩空、肩裂及胎圈爆破相一致，據(jù)此可優(yōu)化胎圈和帶束層，改進其受力，降低其應(yīng)變能密度，進而延長輪胎使用壽命。

在自由充氣工況下，隨著輪胎充氣壓力的升高，輪胎的徑向、側(cè)向變形量均會變大，變化趨勢近似呈線性關(guān)系，且仿真值與實測值的誤差小于10%。在垂直載荷工況下，當充氣壓力一定時，輪胎的接地長度、接地面積、徑向變形及側(cè)向變形會隨著載荷的增大而變大，變形規(guī)律近似呈線性，徑向剛度則變化不大；當載荷一定時，輪胎的接地長度、接地面積、徑向變形及側(cè)向變形會隨著充氣壓力的增大而減小，徑向剛度則逐漸增大，這與實際工況相吻合，表明輪胎胎體劣化嚴重、剩余使用壽命越短，或接地長度與接地面積相差越大，采用文中的研究方法可對輪胎老化程度進行預(yù)測[5]。而提高輪胎的耐久性，既要減少輪胎各部位的應(yīng)力、應(yīng)變，又需研究橡膠材料的疲勞行為，提高橡膠材料裂紋擴展的臨界應(yīng)變能釋放率。

輪胎超載時，胎面接地長度及面積增大，胎肩磨耗加快，胎溫高，生熱不能及時散發(fā)，形成胎肩積熱，導(dǎo)致胎肩脫空或胎體松散、爆破，輪胎爆裂失效易引起輪胎的早期失效、功能喪失，安全隱患極大；通過對早期爆裂輪胎進行斷口宏觀和微觀觀察、材料力學(xué)性能、熱失重試驗、動態(tài)力學(xué)熱分析及失效仿真研究等，結(jié)果表明：輪胎橡膠品質(zhì)不良也會導(dǎo)致輪胎早期失效，而試驗結(jié)果與修正的重載輪胎的徑向變形公式一致性較好，可進行輪胎胎體老化程度預(yù)測。

4 結(jié)束語

針對大型礦山電動輪汽車巨型輪胎高速重載條件下的失效形式，通過研究輪胎的力學(xué)特性及有限元失效仿真得到的變化規(guī)律，可直觀地觀察與輪胎壽命相關(guān)的速度、壓力、負荷、溫度的變化趨勢，從而可預(yù)測出輪胎使用壽命，有利于進一步對輪胎進行動態(tài)接觸分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，對輪胎利用現(xiàn)狀的分析，提供了強有力的技術(shù)支撐和產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向，具有節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟優(yōu)勢。

【1】張偉旗.電動輪汽車巨型輪胎損壞機理及選型研究[J].汽車工業(yè)研究，2015(8):29-33.

【2】閻巖，趙紅.淺析提高電動輪汽車輪胎使用壽命的途徑[J].黃金，2006，27(3)：31-34.

【3】齊曉杰，于建國.基于ANSYS的載重車輛輪胎失效仿真研究[J].車輛與動力技術(shù)，2008(4)：58-62.

【4】顏衛(wèi)衛(wèi)，馬鐵軍.有限元法在汽車輪胎設(shè)計中的應(yīng)用[J].橡膠工業(yè)，2014，61(1)：52-56.

【5】齊曉杰，王強，于建國.翻新輪胎承載變形特性[J].交通運輸工程學(xué)報，2010(5)：47-56.

Failure Simulation Research of Large Mine Electrics Wheel Giant Tires Based on ANSYS

ZHANG Weiqi

(Copper Co.，Ltd., of Jiangxi Copper Corporation，Guixi Jiangxi 335424，China)

The technology research status quo of domestic and foreign large-scale mine electric wheel auto giant engineering radial tire was analyzed. For the main failure mechanism of giant tires of Dexing copper mine, harm and key technical problems, through finite element failure simulation for tire, the tire aging degree and service life could be predicted, more close to the actual working condition of the tires.It can improve the comprehensive performance analysis accuracy，and further consolidate the theory basis of tire dynamic contact analysis and structure optimization design. It has a certain amount of popularization and application value.

Large electric wheel; Giant tires；Failure modes; Simulation analysis

2015-11-06

張偉旗(1965—)，男，工學(xué)學(xué)士，高級工程師，中國機械工程學(xué)會高級會員，主要研究方向為礦山機械、銅加工、有色冶金、機電設(shè)備工程。E-mail:Zhangwq678@126.com。