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机械弹性安全车轮热力学分析及其关键问题研究

朱明敏  
【摘要】:轮胎是整车系统与路面之间接触并产生相互作用的唯一媒介,在实际工作过程中表现出明显的热机耦合力学特性,影响着整车系统的操纵稳定性、行驶安全性及乘坐舒适性等。然而,装配传统充气轮胎的车辆在行驶过程中往往存在爆鼓、爆胎、泄气以及胎压不稳等安全隐患,严重的会导致轮胎失火、燃烧以及爆炸等危险情况的发生,极易造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此,安全轮胎的研发与推广逐渐成为轮胎生产商及研发机构关注的焦点。本文所研究的机械弹性安全车轮是一种采用悬毂-铰链式结构的新型非充气型安全轮胎,它在保证较高承载效率的同时,还能够有效解决非周期性载荷冲击下的车辆行驶安全性、可靠性等问题。本文通过理论分析、数值模拟并结合试验的方法对机械弹性安全车轮热力学性能的若干关键问题进行了较为深入的研究工作,为车轮的综合力学性能研究及其结构优化设计提供指导。主要研究内容包括以下几个方面:1.分析了机械弹性安全车轮的结构组成、工作原理、承载及接地特性;通过对车轮在稳态滚动工况下生热、传热机理的分析研究,建立了考虑复合传热因素影响的机械弹性安全车轮传热模型;基于能量守恒定律,建立车轮滚动状态表面温度预测的理论模型,并通过测温试验验证所建理论模型在预测不同工况下车轮胎面、胎侧表面温度方面具有较高的可靠性;2.在机械弹性安全车轮纯纵滑/侧偏理论模型的基础上,基于刷子理论模型,建立了不考虑热效应影响的车轮纵滑-侧偏复合工况的力学特性理论模型,并通过试验对所建模型在表达车轮复合工况下关键力学特性方面的能力与可靠性进行了验证。之后,分析了与车轮温升密切相关的载荷、速度、动摩擦系数等因素对复合工况车轮力学特性的影响,为研究机械弹性安全车轮热机耦合力学特性理论模型奠定基础;3.建立了包含温升模型、材料特性模型、滑移速度与温升效应影响的摩擦模型、力学特性模型四种模型耦合影响的车轮热机耦合力学特性理论模型;对车轮在纵滑、侧偏及其复合工况下的热机耦合力学特性进行仿真计算与分析,证明了该模型能更加准确地预测复合工况下车轮的力学特性及其温升特性;4.机械弹性安全车轮热机耦合有限元建模与分析。利用非线性有限元分析软件,建立了机械弹性安全车轮热机耦合的有限元模型,进行了车轮稳态温度场及其影响因素的有限元分析研究;利用有限元分析软件的用户子程序,实现了将机械弹性安全车轮传热模型、摩擦模型与有限元模型相结合的过程,进行了热机摩耦合效应对车轮在稳态滚动侧偏工况下的侧偏特性研究,分析了热效应及摩擦特性对车轮侧向力、回正力矩等的影响;5.机械弹性安全车轮热模态分析及试验研究。基于0轮Timoshenko曲梁模型,建立了热效应影响下的车轮热应力控制方程以及热模态的理论模型。采用有限元法对机械弹性安全车轮进行了冷-热模态的仿真分析;基于试验模态的分析理论,建立车轮模态试验系统,并进行了车轮的热模态试验;将试验与有限元分析所得车轮在热状态下的振型与固有频率的结果进行对比,证明了有限元模型的可靠性以及热模态试验方法的可行性;进一步分析了温度变化对车轮结构固有振动特性的影响。


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