张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司，江西贵溪 335424)

基于ANSYS的大型电动轮巨型轮胎失效仿真研究

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司，江西贵溪 335424)

分析了国内外大型矿山电动轮汽车巨型工程子午线轮胎的技术研究现状；针对德兴铜矿巨型轮胎的主要失效机制、危害及关键技术问题，通过轮胎有限元失效仿真研究，可预测轮胎老化程度及寿命，更贴近轮胎运行的实际工况，提高了轮胎综合性能分析的精确性，进一步夯实了轮胎的动态接触分析和结构优化设计的理论基础，具有一定的推广应用价值。

大型电动轮；巨型轮胎；失效形式；仿真分析

0 引言

随着全球资源供需格局的变革和重大调整，煤炭、铁、铜、铝、铅锌、锡、镍、钼等矿产资源的市场需求猛增，大型矿山电动轮汽车的保有量猛增，特别适用于地形复杂、开采分散、需均衡配矿及多点排倒的各类矿山。多年来，其重要部件巨型全钢工程子午线轮胎(简称轮胎)核心技术长期被国外封锁和市场垄断，从2004年起， Michelin、Bridgestone、Goodyear三大品牌轮胎国际市场需求极为强劲，进口数量呈井喷之势，且价格不断飙升，但国产轮胎生产技术尚未成熟，造成胎源极度短缺。

江铜德兴铜矿(简称德铜)铜厂和富家坞采区日采选矿石产能13万t/d，其矿石年采剥总量巨大，达1.32亿t/a。截至2014年底，现有830E、730E、630E、EH3500、R-190Ⅲ、R-170型电动轮汽车共 63 台，其配套进口关键部件40.00R57、37.00R57、36.00 R51等规格轮胎价格昂贵，且供不应求；轮胎使用合理与否，直接影响车辆的正常运行及成本能耗，开支巨大。德铜轮胎长期依赖进口，采购难、返修难、损耗量大、胎源紧缺，且轮胎费用随着车辆载质量吨位加大而增大。现场统计表明：因轮胎失效，德铜采矿区年损耗进口和国产轮胎约400条，每条运行周期大于2 400 h，且轮胎采购成本超过车辆运营成本的30%。为打破国外长期的垄断及技术封锁格局，针对轮胎主要失效形式、危害及关键技术问题进行分析，创建轮胎有限元失效仿真模型，对确保行车安全、提高车辆可开动率、降低总运输成本、延长轮胎使用寿命，意义重大。

1 技术研究现状分析

巨型子午线轮胎与斜交轮胎相比，耐磨性好、节油、寿命长及性价比高，欧美等发达国家均装配子午线轮胎，已基本淘汰斜交轮胎；而目前我国斜交轮胎厂大多处于停产或半停产状态，57″以上子午线轮胎因技术难度大，开发进展缓慢。巨型轮胎因结构设计和受力状况复杂，材料分布不均，运行时需承受内压、离心载荷、轮胎轮辋与地面之间的摩擦力及周期性变化的非对称载荷，具备典型的材料非线性、接触非线性及大变形等复杂力学特性。而我国在产品研发、寿命、检测、试验、现场服务等方面均与国际三大巨鳄差距较大，大批量生产和产业化尚待时日。轮胎力学研究通常可分为轮胎稳态力学、动态力学、有限元分析及实验研究等领域，根据轮胎动力学模型建立仿真模型，模拟轮胎因车速、载荷、发热、路面性质和环境及轮胎材料等因素的变化而变化即在不同工况下的受力特点，一直是国内外学者长期探讨和研究的重点和难点。

巨型轮胎集制造工艺、材料、装备、检测等高科技技术于一身，它与载重子午线轮胎相比，因无法从国外引进软硬件技术，国内企业仍在摸索中。而随着科技进步和计算机技术的不断发展，计算机的控制理论、仿真技术、模态分析、性能预测与估计、优化设计、神经网络理论、多体力学理论、有限元理论及模糊分析方法等已广泛应用于车辆动力学、轮胎力学研究理论。轮胎力学理论分析技术已从网络理论、薄膜理论、薄壳理论、层合理论等经典分析理论发展至有限元理论，且逐步开拓出新的领域。

特别是近年来，轮胎有限元技术发展与应用广泛，常用于轮胎分析的商业软件有Pro/E、ANSYS、ADAMS、ABAQUS、MARC、MSC/NASTRAN等，但因轮胎结构材料及工况的复杂性、特殊性及不可预见性，因而发展潜力巨大。随着国际轮胎工业的新一轮技术革命，轮胎后工业化时代的来临，轮胎技术现正朝着轮胎子午线化、翻新化、轻量化、防滑、泄气保用、低噪声、智能、仿生、仿真、绿色、纳米等方向迅猛发展。

2 主要失效形式及危害

该矿全部使用全钢子午线无内胎轮胎，运输道路以碎石路面居多，部分路段锋利尖石多，轮胎运行过程中的主要失效形式有局磨、刺破、割裂、研胎、裂纹、掉块、剥离及爆破等，且以雨雪冰雾尘等恶劣天气最为突出。其中，局磨对轮胎寿命是致命的，会直接破坏轮胎结构，一旦轮胎花纹超过磨耗极限值时，既无翻新价值，又无法修补，只得作报废处理；车辆在起步、上下坡及制动时，轮胎易产生滑移，直接导致轮胎发生窜位、跑偏或甩尾，会严重损害轮胎胎体的强度及耐磨性，对安全生产威胁大[1]。

轮胎的充气标准是根据轮胎构造、材料强度及实际负荷而规定的。若不按标准充气或轮胎不正确充气，易导致轮胎早期磨损和损坏，轮胎易被锋利尖石刺破，酿成重特大人身设备事故。轮胎气压过高时，汽车平顺性降低，且易使处于应力状态的胎面花纹块基部产生裂口，胶料磨损性能下降，轮胎寿命缩短；气压过低时，轮胎将在重力作用下变形，并随着气压降低而增大，胎体应力增大，与地面接地面积增大，使胎肩磨耗和不规则磨损增大；轮胎产生异热，会使胎温升高，橡胶老化，帘线脱层，严重时帘线折断破坏，行驶阻力增加，燃料消耗大[2]。

在雨雪冰雾尘等极端天气下，轮胎损耗明显超过年平均值，特别是每年汛期来临，轮胎异常磨损及刺破现象最为严重，且重载下坡车辆后轮常发生横向或纵向滑移即“甩尾”现象，容易割伤轮胎，处理不及时，伤口会扩展，渗透力强的雨雪水或空气沿着轮胎伤口逐步地冲刷、渗透入钢丝层，使其快速氧化、锈蚀或折断，逐渐脱离胎面胶，伤口变大且加深，维修不及时会导致轮胎局部剥离、掉块等早期损坏或报废；即使轮胎未漏气继续使用，表面剥离、脱空轮胎的伤口不足以抵抗巨大的冲击、异常割伤及碰撞，轮胎易爆裂，安全隐患极大。

司机为抢任务违章超载、超速时有发生，轮胎撞到锋利尖石或障碍物，它所承受的应力和变形过大，轮胎易产生内裂、过热或爆破；装载量过前或过后，前轮或后轮超负荷，尤其是复杂路面轮胎磨损加剧、转向操作难或“发飘”失去抓着力，装载跑偏侧轮胎超负荷，受压变形过大，易损坏轮胎或侧翻；产生局磨、割伤、剥离或胎体部分钢丝损伤的轮胎易冲击爆裂，且以后轮居多，该失效比例不大，但巨大的冲击波易伤及人身及设备；若二前轮之一发生爆裂，会造成翻车、大梁扭曲，严重损坏悬挂及羊角轴等，导致重大人身及设备事故，经济损失巨大。

3 轮胎失效有限元仿真研究

巨型轮胎主要是由多种材料复合而成，具有多层结构，力学结构和截面形状相当复杂。目前尚无普适理论或经验公式可直接用于指导其设计，有限元法则较适用于轮胎结构设计方案优选、轮胎失效机制分析及失效仿真研究，在轮胎设计、结构性能分析中发挥着重大的作用。其应用主要体现在胎面磨损和内部裂纹扩展分析，主要涉及材料学、摩擦学、断裂力学及损伤理论。作者采用层合结构模型，通过硫化、胶合等方式将胎面层、缓冲层、胎体层不同材料的橡胶单元粘合成为一个复合材料结构整体，轮胎二维有限元模型，如图1所示。针对其进行大变形有限元分析和加载试验研究，进行力学性能差异对比，从而为轮胎的失效机制、性能研究及胎体寿命预测提供理论依据。

3.1 轮胎模型的简化

(1)模型创建要求

实际工程问题往往相当复杂，形状迥异且千姿百态，支撑边界种类繁多，轮胎载荷工况更是变化莫测，必须对轮胎模型进行简化处理，否则建模工作量将倍增，困难极大。建模时，要求在保证计算精度的前提下，尽量降低计算成本，避免出现因计算机容量和计算速度的限制而无法计算等问题；力学模型应具有足够的准确性，且综合考量形状与结构及边界条件的一致性。

(2)假设条件和定义

现以德铜730电动轮汽车37.00R57型典型规格轮胎作为载体进行分析，遵循以下假设条件建立面向动力学模型特性分析的仿真模型：①刚体定义。除弹性元件之外，整车系统中的其余零部件及路面皆为刚体；②动力学性能。不计车辆发动机和传动系统的振动及对车辆的影响；③边界条件。接触问题宜通过直接约束法加以解决，给定路面移向轴心和轮辋沿轴向的位移，将可能与路面、轮辋发生接触的单元定义为可变形体；④载荷工况。对模型先后施加的载荷，主要有：由轮辋沿X方向即轴向的位移来实现轮辋定位载荷，充气压力施加于轮胎的内表面，根据路面相对于轮胎轴心的下沉量来实现静负荷，由轮胎的扭矩控制自由滚动，由轮胎的转速控制稳态滚动。

(3)轮胎模型简化

应严格简化轮胎模型，否则无法得到所需结果。针对轮胎材料属性，将轮胎胎冠层、胎体层简化为各种同性材料，其弹性模量则由试验测得。轮胎材料属性详见表1。

表1 轮胎材料属性

模拟垂直工况时，可适当简化轮胎约束或轮胎某些部位，如将轮胎模型简化为胎冠、胎侧、胎体、带束层、三角胶及钢丝圈。为得到满意的仿真模型，网格划分时需简化轮胎模型，如：省略花纹和补强层；将胎侧和钢丝带束层邻接部位狭长的几何尖角改为倒角；合并胎侧和小胎侧；为平滑过渡，将钢丝圈与三角胶邻接部位倒成圆角；取消易拓扑退化的胎圈处圆角，改为两条直线相交等。

(4)加载分析条件

① 在自重条件下，充气后(气压设定为0.84 MPa)轮胎的变形特征；② 此时地面与轮胎之间线接触，地面底部不变形(变形约束条件)，主要以胎体侧向变形为主；③ 充气后，满载184 t轮胎的变形特征；④ 满载且以速度35.4 km/h、角速度5.8 rad向前运动的轮胎变形分析；⑤温度与压力的耦合作用。轮胎静载荷施加图如图2所示。轮胎动载荷施加示意图如图3所示。

(5)模型创建及ANSYS导入

先创建轮胎与地面的接触模型，建立约束、施加均布载荷。网格划分时，操作易失败或生成严重变形单元；对轮胎侧偏特性研究，仅需胎冠表面结果而已，故对轮胎截面内部形状稍作修改，对胎冠、胎侧的影响并不大。为精确分析接触区域的应力-应变场，需细分接地部分网格，且划分密度为10。由平面网格旋转拉伸生成3/4三维模型。轮胎网格划分图如图4所示。

在ANSYS中，建立准确而可靠的结构的有限元失效仿真模型，关系到计算结果的正确与否，极为关键。其主要做法是利用拉伸、实体化、阵列、环形折弯、镜像、复制特征等工具来创建轮胎与地面装配的三维实体轮胎模型，如拉伸，需利用低维网格来生成高维网格等。而轮胎与地面的接触及大变形等皆为强非线性问题，必须加强对轮胎结构设计和失效仿真的研究，具体则涉及建模过程中的单元选择、材料特性、网格划分、载荷、约束条件及求解方法等。

ANSYS在默认状况下，因无法对Pro/E中pat和asm文件进行直接转换，需对ANSYS设置连接过程进行相应配置来激活模块，将ANSYS的路径追加至path、轮胎模型导入ANSYS软件。但在实际建模时，针对轮胎承载变形特性的变化规律，应不断修正轮胎变形理论计算公式，对该仿真模型进行反复验证与调整，使仿真结果的精度较高。轮胎与轮辋间的接触换热可用热-耦合分析方法来完成，热-耦合分析方法可通过施加速度边界条件、热边界条件来实现[3]。轮胎失效仿真模型图如图5所示。

3.2 仿真试验研究及结果分析

研究主要基于ANSYS软件非线性分析技术，采用三位体单元和接触单元，利用Pro/E的强大建模功能建立高速重载轮胎三维模型。通过专用模型数据接口技术将模型导入ANSYS中，划分网格前需定义单元类型和属性、实常数及材料属性；利用有限元方法极为有效，可模拟轮胎模型的受力特点，获得重载轮胎在不同压力场和温度场下的应力、应变分布状况，深入研究轮胎综合应力、应变分布状况及预测轮胎寿命，为轮胎动态接触分析和结构优化设计制造奠定理论基础，减少或取代部分轮胎试验。

以高速重载轮胎承载变形特性为出发点，利用复合材料层单元来模拟轮胎的材料类型，建构层合结构模型，考虑拉压耦合及弯矩的影响，能处理接触区域等有效曲率部位的变化，预测轮胎应力-应变和断面轮廓形状，更接近层合材料表现的总体性能；创建力学模型后，采用接触单元法、可变约束法、分步载荷法进行加载，如利用合适的接触算法计算可得到应力和热流，设定不同的参数即可模拟出作业状态或不同工况下的磨损状况及不均匀模式即非正常磨损状况[4]；建立承载变形测试系统，利用专用轮胎加载机对不同工况进行模拟加载试验，选用充气压力变化、载荷不变或充气压力不变化、载荷变化2种工况，分别测定老化轮胎与同牌号同规格新轮胎的变形量，利用大变形自由迭代方式求解收敛曲线，仿真结果可采用通用后处理器POST 1进行查看。

作者应用自主研发的TYSYS轮胎专用有限元分析软件，对37.00R57轮胎进行失效仿真分析。仿真分析结果表明：轮胎充气压力大小决定着带束层受力的基本状况，在接地区里主要是静载荷影响带束层的受力状况，对钢丝圈的应力则影响不大；施加静载荷后，开始充气时胎面易偏移中心节点，而非接地面中心胎面位移量随之变大和波动，且与充气压力呈线性关系；在接地区域下沉量一定的条件下，路面接触反力随着充气压力的增大而增大，且它们大致呈线性关系，轮胎胎体帘线层和带束层产生变形，胎圈外侧和带束层边缘应变增大，进而可预测轮胎滚动过程中，生热快、散热难、胎温骤升、与肩空、肩裂及胎圈爆破相一致，据此可优化胎圈和带束层，改进其受力，降低其应变能密度，进而延长轮胎使用寿命。

在自由充气工况下，随着轮胎充气压力的升高，轮胎的径向、侧向变形量均会变大，变化趋势近似呈线性关系，且仿真值与实测值的误差小于10%。在垂直载荷工况下，当充气压力一定时，轮胎的接地长度、接地面积、径向变形及侧向变形会随着载荷的增大而变大，变形规律近似呈线性，径向刚度则变化不大；当载荷一定时，轮胎的接地长度、接地面积、径向变形及侧向变形会随着充气压力的增大而减小，径向刚度则逐渐增大，这与实际工况相吻合，表明轮胎胎体劣化严重、剩余使用寿命越短，或接地长度与接地面积相差越大，采用文中的研究方法可对轮胎老化程度进行预测[5]。而提高轮胎的耐久性，既要减少轮胎各部位的应力、应变，又需研究橡胶材料的疲劳行为，提高橡胶材料裂纹扩展的临界应变能释放率。

轮胎超载时，胎面接地长度及面积增大，胎肩磨耗加快，胎温高，生热不能及时散发，形成胎肩积热，导致胎肩脱空或胎体松散、爆破，轮胎爆裂失效易引起轮胎的早期失效、功能丧失，安全隐患极大；通过对早期爆裂轮胎进行断口宏观和微观观察、材料力学性能、热失重试验、动态力学热分析及失效仿真研究等，结果表明：轮胎橡胶品质不良也会导致轮胎早期失效，而试验结果与修正的重载轮胎的径向变形公式一致性较好，可进行轮胎胎体老化程度预测。

4 结束语

针对大型矿山电动轮汽车巨型轮胎高速重载条件下的失效形式，通过研究轮胎的力学特性及有限元失效仿真得到的变化规律，可直观地观察与轮胎寿命相关的速度、压力、负荷、温度的变化趋势，从而可预测出轮胎使用寿命，有利于进一步对轮胎进行动态接触分析及结构优化设计，对轮胎利用现状的分析，提供了强有力的技术支撑和产业导向，具有节能减排、循环经济优势。

【1】张伟旗.电动轮汽车巨型轮胎损坏机理及选型研究[J].汽车工业研究，2015(8):29-33.

【2】阎岩，赵红.浅析提高电动轮汽车轮胎使用寿命的途径[J].黄金，2006，27(3)：31-34.

【3】齐晓杰，于建国.基于ANSYS的载重车辆轮胎失效仿真研究[J].车辆与动力技术，2008(4)：58-62.

【4】颜卫卫，马铁军.有限元法在汽车轮胎设计中的应用[J].橡胶工业，2014，61(1)：52-56.

【5】齐晓杰，王强，于建国.翻新轮胎承载变形特性[J].交通运输工程学报，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

张伟旗(1965—)，男，工学学士，高级工程师，中国机械工程学会高级会员，主要研究方向为矿山机械、铜加工、有色冶金、机电设备工程。E-mail:Zhangwq678@126.com。