汽车轮胎传热性能及温度场的数值模拟分析

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汽车轮胎传热性能及温度场的数值模拟分析刘锋苏秀平2，李丽娟1（。广东工业大学建筑工程系，广东广州，510500 2.青岛化工学院机械系，山东青岛，266042）9.00r20子午线结构轮胎在特定条件下的温度场分布情况，给出了温度场分布云图和温度分布曲线，目的是为轮胎的研制开发提供可靠的理论依据，以便优化轮胎结构。

近年来，随着我国高速公路的迅速发展和路面条件的不断改善，汽车对轮胎高速使用性能的要求日益提高，生热已成为影响轮胎使用性能及寿命最尖锐的问题之一。目前工程上通常是在轮胎生产出来后，通过转鼓试验测出轮胎内部某些点（接触法测温）或轮胎表面（非接触法测温）的温度，由此来预测轮胎整体温度场分布情况，这种方法有费用高、预测精度低等局限性。如能对轮胎温度场分布进行模拟计算，了解轮胎使用时内部的生热情况及可能的破坏行为，在设计之初根据预测的温度场对轮胎结构及配方进行优化，必将提高轮胎的使用寿命。有限单元法在轮胎中的应用使这种模拟计算成为可能。用有限元法可以比较精确的预测出轮胎在特定条件下的温度场分布，从而为轮胎的研制、开发及使用提供可靠的生热方面的依据。

1轮胎温度场分析的数学描述1.1微分方程轮胎中的材料，具有典型的粘弹性特性，在使用过程中将不可避免地产生滞后损失而生热f1‘2，因而轮胎温度场问题可视为有内热源的热传导问题，其热传导方程可记为：其中，n是描述温度在单元内变化的插值函数向量，t是依赖与时间的单元温度向量。

在求解过程中，对一维的时间域采用后差分格式离散。

式（6）即为轮胎热传导问题的有限元方程。

2算例2.1轮胎几何模型00r20子午线结构轮胎在满足使用条件下（通常在iso的国际标准轮胎规格中都标有轮胎的荷载指数及最高速度，这是轮胎的使用条件。）的温度分布情况，对影响轮胎温度的各主要因素的变化对轮胎温度的影响做了研究，给出了在速度96. 8kn时的温度场分布情况。考虑到轮胎结构及材料分布，采用六节点三角形单元和八节点四边形单元离散轮胎，轮辋则用二节点线性单元离散。

2.2材料模型橡胶的热力学参数由中得到f124.橡胶一帘线复合材料的性能参数则根据纤维增强复合材料的混合律得出，即：热生成率与轮胎材料的粘弹性特性及工作条件（如速度、内压、载荷）有关，本文将轮胎沿径向分为16部分，认为每一部分中热生成率q为定值给出。

2.3边界条件考虑轮胎与周围空气及内腔空气的对流换热，轮胎内外表面的热辐射，轮胎与轮辋间的接触换热及轮辋与空气的对流换热等几种热交换边界条件。轮胎、轮辋与空气间的对流换热系数可近似求出hs在ht与hb间呈线性变化。

（wit1）代表换热系数，v（km/h）代表轮胎滚动速度。下标t为胎面部，b为轮胎与轮辋间的接触换热用热-机藕合分析方法来完成，其中轮辋用刚性可传热单元类型。

接触热阻取为。5xm3m2°w1.考虑到问题的非线性性质，分析时采用增量法，设置总加载时间为20 000s，共20个增量步，在每个增量步内采用更新的newton积分点温度7/-c raphson迭代解法，环境温度及初始温度取3结果与讨论通过有限元分析，得出在给定工况下轮胎整体温度场分布如所示。表示了从胎冠中心到胎圈部位胎体中的温度分布曲线。由、可见，在轮胎胎肩处有一个明显的高温区，这是因为胎肩部生热量大，而橡胶层又比较厚，热量不易散发的缘故轮胎温度场分布云图表示了胎冠中部由胎面到内腔的温度分布曲线，由图可见，在带束层和橡胶层界面处温度较高，这是由于帘布层生热较多，而橡胶材料的导热性又比较差，从而在该部位有较多的温度累积。、分别表示轮胎内外表面从胎冠中部到胎圈部位的温度分布和对流换热曲线，其中热流曲线负值表示热量从轮胎向空气流出。由图可以看出，接近胎圈部位对流换热比较困难，在内腔甚至由于空气温度的升高而使热量由内腔空气流向了轮胎，胎圈部位的生热大部分由轮辋带走。

内腔表面热流分布曲线表示了带束层中所标各点温度随时间变化曲线，可见经过一段时间后，轮胎的生热和散热将达到动态平衡，温度场趋于稳定。

由分析结果可见，此轮胎胎肩部最高温度可达148. 8°c，整个胎冠部温度也较高，轮胎长期在这种条件下工作是很危险的。试验表明，轮胎胶料强度在149°c下的数值将减低到室温下的42%，界面粘合强度降低到室温下的46%因此我们提出以下几点建议：（1）改进轮胎结构，适当减薄胎肩部位或加深花纹沟；（2）改进配方，在胎肩和胎冠部位采用导热系数较大的配合胶料；（3）适当增大内压，或减低最高行使速度及最大载荷。以上结构，配方或行驶条件的改动均需经应力-应变场分析以保证行驶安全性，然后进行温度场分析。重复上述步骤可实现轮胎结构的优化设计。为了将问题简化，本文在分析中未考虑轮胎与地面间、轮胎与轮辋间的摩擦生热，也未考虑轮胎花纹沟对温度场的影响，这些都将对分析结果的精度产生一定的影响。在今后进一步的分析中应充分考虑以下几个问题：（1）轮胎几何模型的精确建立，考虑花纹沟的影响；（2）考虑温度对轮胎材料的比热、导热系数及热发射率的影响；（3）应用热一力藕合的分析方法，考虑热生成率与温度、应变幅间的关系，考虑摩擦生热的影响。

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