摘 要

随着我国经济社会的不断发展，汽车已日益成为人们日常出行的必需品，而显而易见的是，轮胎又是汽车当中不可或缺的一个重要部分，有必要对其进行深度研究。论文主要研究了汽车滚动轮胎的稳态温度场，分析其温度特性。本文的内容是用ANSYS软件对轮胎接地稳态温度场进行仿真，得出结果，并结合实际并得出结论。本文通过在ANSYS APDL中建立一个轮胎模型并划分好网格，并通过计算接触面上每个节点的生热率，设置单元，并输入材料的导热系数，比热以及密度，再通过施加起始温度，对流换热，节点生热率，内热源，便应用软件进行稳态温度场的求解计算，得出分别在10,20,30和40km/h下滚动轮胎的温度分布图。本文共分为五大章来详细介绍这次我做的毕业论文的内容。希望通过本文对滚动轮胎温度场的分析，能给大家带来关于汽车轮胎温度特性方面的一些有用知识。

关键词：数值计算法；温度场；对流换热系数；边界条件

Abstract

With the continuous development of China's economy and society, automobiles have increasingly become a necessity for people's daily travel. It is obvious that tires are an indispensable part of automobiles, and it is necessary to conduct in-depth research on them. In this paper, the steady temperature field of automobile rolling tire is studied and its temperature characteristics are analyzed. In this paper, ANSYS software is used to simulate the steady-state temperature field of tire grounding. The results are obtained and compared with the actual situation. In this paper, a tire model is established and meshed in ANSYS APDL. By calculating the heat generation rate of each node on the contact surface, setting up the unit, and inputting the thermal conductivity, specific heat and density of the material, and then applying the initial temperature, convective heat transfer, node heat generation rate and internal heat source, the software is used to calculate the steady-state temperature field, and the results are 10, 20, 30, respectively. Temperature distribution of rolling tire at 40 km/h. This article is divided into five chapters to introduce in detail the content of my graduation thesis. Hope that through the analysis of rolling tire temperature field in this paper, we can bring you some useful knowledge about the temperature characteristics of automobile tires.

Key Words：Numerical Method; Temperature Field; Convective Heat Transfer Coefficient; Boundary Conditions

目 录

摘 要 I

Abstract II

第 1 章 绪论 1

1.1论文选题的目的和意义 1

1.2该论题的国内外研究现状和发展趋势 2

1.3 研究内容和研究方法的介绍 4

1.4 本文组织结构 4

第 2 章 轮胎接地模型建立 6

2.1 软件的选择 6

2.2 轮胎模型的建立 7

2.3 地面模型的建立 8

2.4 接触问题 9

2.5 本章小结 10

第 3 章 计算分析轮胎接地的应力场 11

3.1 有限元理论 11

3.2 静态应力场的计算过程 12

3.3 计算滚动轮胎应力场的过程 12

3.4 结果分析 13

3.5 本章小结 15

第 4 章 计算分析轮胎接地的温度场 16

4.1 数值计算法介绍 16

4.2 对流换热系数以及边界条件的介绍 16

4.3 计算滚动轮胎温度场的过程 17

4.4 滚动轮胎稳态温度场的结果分析 20

4.5 本章小结 23

第 5 章 总结与展望 24

5.1 对这次毕业论文的总结 24

5.2 本次毕业论文的问题及不足 25

5.3 对未来的展望 25

参考文献 27

致谢 29

绪论

1.1论文选题的目的和意义

众所周知，轮胎是汽车的一个十分重要的组成部分，在使用过程中要承受着汽车对它的压力。汽车的向前牵引力也是由轮胎和路面之间的摩擦力提供的，它是一种圆形弹性橡胶产品，装配在各种车辆或机械上，在地面上滚动。通常安装在金属轮架上，要能撑起车身，缓解外界对其的冲击，与路面接触，确保车辆能够正常地前行。轮胎通常被用来在复杂和恶劣的条件下使用。在行驶过程中会受到各种变形、载荷、力和高低温效应的影响。因此，其必须具有良好的承载力、牵引力和缓冲能力，同时还需要具有柔韧性和高耐磨性^[1]，以及较低的阻力和发热量。世界上的轮胎生产大概要用一半的橡胶材料^[2]，橡胶能为轮胎提供众多优良性能。轮胎的组成部分有几个，一般是外胎，内胎和垫子。有些轮胎没有内胎，具有良好性能的橡胶层被填充进轮胎的内层，且需配专用的轮辋。世界各国轮胎的结构，都在向着子午线构造、没有内胎以及轻量扁平化的方向发展。轮胎显然是汽车的重要部件。轮胎上有10种以上的标记，正确识别这些标记对于轮胎的使用，选择和维护非常重要^[3]。这也非常有助于保证司机的行驶安全，并能较好地增加轮胎的寿命。轮胎的规格是轮胎性能以及一些相关参数的标记数据。要表示轮胎规格的话，有以下几种种方法：公制，公英制混合，英制。通常用一些数字来表示英国轮胎，后面的代表轮胎的直径，前面的代表轮胎截面的宽度，中间的字符或符号具有特殊含义，就轮胎结构而言，“R”代表子午线轮胎，“D”和“I”代表斜交轮胎，“XL”代表局部增强轮胎，“TG”代表工程拖拉机和瘪胎，“NHS”代表越野轮胎。

据调查，40%左右的交通事故是由轮胎的问题引起的。造成轮胎损坏的主要原因有三个，一是表面机械损伤，二是疲劳损伤，三是过热损伤。初步研究表明，当橡胶材料的导热性能不太好时，轮胎的变形频率增大^[4]，弹性滞回损失增大，生热增加，使轮胎温度迅速升高，导致轮胎过热而损坏^[5]。因此，高速轮胎大量蓄热是导致轮胎爆裂的主要原因，有许多事故发生的原因都是轮胎发热，还伴随着轮胎的损坏以及爆胎。所以，对轮胎温度进行研究很有必要。具体意义如下：

（1）轮胎散热性和导热性能略差。轮胎损坏中有一个主要的方式就是过热损坏^[6]。所以，要了解轮胎适宜的工作温度以及在其运转时的温度分布，减少其过热损坏出现的频率。

（2）轮胎温度的研究对轮胎的行车安全、使用寿命和结构设计等具备重要意义。

（3）了解轮胎的温度特性后，可以采取适当的措施来优化轮胎。比如选取合适的材料来进行轮胎的设计和制造，或合理使用轮胎，降低由于超载、超速等原因，而造成人员和钱财损失等^[7]。

（4）轮胎的发热和温升不仅影响轮胎的性能，而且也会大大地影响汽车的燃油消耗。据网上报道，轮胎的能量散失占汽车总能量散失的5%，占卡车总能量散失的10%。

如果需要研究一些较复杂，具有一定危险性或者是在现实环境中难以获得的物体，就需要想一种行之有效的办法，那就是模拟。计算机是一种模拟的有效工具。模拟是一种实验技术，这点就与数值计算或者是求解方法有很大的区别。要想仿真就得知道它的两个主要步骤：做仿真实验和搭建仿真模型。仿真环境是进行模型仿真操作的管理方式，其作用是控制仿真的程度。模拟可根据不同的原理进行分类：根据所使用的模型类型，可分为物理模拟、计算机模拟和硬件在环模拟。根据使用的计算机类型，可分为混合仿真、数字仿真以及模拟仿真。根据仿真对象中的信号流，分为连续系统仿真和离散系统仿真。根据实际时间与仿真时间的比例关系，可分为亚实时仿真、超实时仿真以及实时仿真。根据对象的性质，可分为宇宙飞船仿真、化工系统仿真和经济系统仿真。仿真的方法主要是做仿真实验和建立仿真模型。具体可分为两类，一是仿真离散系统的方法，二是仿真连续系统的方法。对于连续系统而言，虽然已有较为成熟的理论和较为完善的实验建模方法，但是相关人员在系统仿真过程中，通常要用假设得到的近似模型来验证假设的正确性，有时需要进行修改来保证其真实性。

综上所述，通过了解轮胎温度场的分布，可以在轮胎设计阶段减少热量产生的基础上，具体指导轮胎设计，包括轮胎各部分几何形状和尺寸的设计，以及所用橡胶的选择，这样就可以将轮胎试生产周期缩短到一个新的阶段，使得收益更多并能降低试生产成本；用户还可以在服务阶段指导轮胎设计，通过对温度场的科学认识，准确把握温度场，改变投机行为的现状。同时，用户能合理使用轮胎，减少由于超速、超载等造成人员和钱财损失^[8]，减少由于不正确使用轮胎而造成的经济方面的赔偿。

1.2该论题的国内外研究现状和发展趋势

随着汽车行业的迅速发展，人们对汽车轮胎有着各方面越来越高的要求，所以轮胎各方面都得到了相应的提高，比如材质，寿命，防滑性等。但是汽车轮胎在高速运转的过程中，极易发生急剧升温的情况，进而会引发不可预知的事故。因此，汽车相关研究人员重点关注高速运转的轮胎温度场，并对其进行深入研究。

就国外而言，随着数值计算法和计算机的迅速发展的渐渐成熟和发达，数值计算法越来越适合用来分析轮胎内部的温度分布^[9]。有限差分法和有限元法是广泛应用的两种靠谱的计算方法。特里维西奥诺首先分析了轮胎的稳态温度场和非稳态温度场，他用的是有限元素法^[10]。理查德等人员在轮胎的各个区域中在两个假设成立的前提下用有限单元法对所有单元进行了全方位的的应力、应变分析^[11]，并且他们参考了热损失能量基本方程来研究自由滚动的汽车轮胎温度场分布特性^[12]。欧和其他人应用有限元方法研究轮胎的温升^[13]，同时考虑到速度，对流，辐射，热传导等条件。最终的计算结果与实验结果非常吻合。科斯塔等人，通过有限元法研究了制动系统加热引起的城市公交车和货车轮胎轮胎过热现象，提出了降低温升的方法。与此同时，其他学者通过有限元方法在轮胎温度场分析方面也做了大量工作^[14]。在二十世纪七十年代和八十年代，一些轮胎技术人员研究了轮胎加热对肩部损伤的影响，并分析了轮胎爆炸的临界温度^[15]。在二十世纪九十年代，轮胎的发热受到越来越多的关注，并且已经对轮胎的温度场进行了大量的研究工作。学者用有限元方法研究了轮胎的相关温度场，并进一步研究了轮胎发热与压力，速度和载荷等相关运行条件之间的关系。取得了巨大成就^[16]。

就国内而言，新中国成立七十年来，中国逐步发展成为世界上最大的轮胎工业生产国，建成了各种规格而且具有一系列产品的完整工业体系，取得了众多具有独创性的国际前沿技术成果^[17]。我国载重子午线轮胎通过了高速、高负荷试验，达到了世界先进水平。汽车子午线轮胎实现了无内胎、宽断面、扁平化、高速化等一系列要求^[18]。安全，节能，环保的轮胎又能顺应国际潮流，稳步推向国际市场并得到认可。近年来，随着我国高速公路的快速发展，对汽车轮胎性能的要求越来越复杂，也越来越苛刻，人们越来越重视轮胎温度特性这方面的研究。目前，米其林中国投资有限公司、普利司通中国投资有限公司、国家橡胶轮胎工程研究中心等多家大型企业和研究机构已成功运用Algor、Marc、ANSYS等大型有限元分析软件对轮胎温度分布进行了研究^[19]。轮胎发热主要是由连续运动引起的。在不同的工作条件下，橡胶分子之间的摩擦以及轮胎基体与路面之间因形状过程产生的压缩拉伸或扭转而产生的摩擦是不同的。轮胎温度的相关测量仪器包括数字热电偶，探头热电偶和脉冲频率调制遥测系统^[20]。温度场的研究方法包括实际温度测量的实验研究。滚动轮胎温度控制包括强制性对流换热，冷热管技术，热对流传导，轮胎基体变化等。具有很大发展潜力的是轮胎相变换热^[21]。在特定的工作环境如温度和压力条件下，选择能够完成蒸发和冷凝循环而不影响轮胎化合物的工作流程非常重要。重要的一点，分析轮胎滚动温度场在工程领域受到越来越多的关注。由于研究目标状态复杂，影响因素较多，相应的理论发展相对不完善，目前尚无可靠有效的分析方法。所以，轮胎稳态温度场的分析方法和一些新鲜元素仍然是轮胎工程与汽车领域需要解决的重要研究课题^[22]。然而，由于软件涉及面广，不适合具体工程，特别是针对轮胎温度场问题，这些大规模应用软件的处理将受到诸多因素的限制，无法准确计算轮胎温度分布。国内很少有专门分析轮胎温度场的软件^[23]，因此有些专家开发了一些有限元软件，用来专门研究轮胎温度场分析，希望能为轮胎温度场研究领域做出他们应有的贡献^[24]。 国内外众多科研人员对轮胎温度场的有限元分析做了大量研究。主要步骤是大概是首先建立模型，其次划分有限元网格，最后使用相关的数理学方法进行它们的数值计算^[25]。要想得到准确的计算结果，一般是由轮胎材料的边界条件和物理性质所决定的。

1.3 研究内容和研究方法的介绍

本文的研究内容是轮胎在滚动状态下的温度特性，并用数值计算方法在给定边界条件的情况下对其进行模拟仿真计算，得出结果后，进行分析，并与实际情况作对比，最终进一步估计轮胎的工作性能。研究轮胎的力学特性是研究轮胎温度特性的基础，因为计算节点生热率的时候需要轮胎接地的应力应变数据作为支持，所以本文还有部分对轮胎接地应力部分的论述。本次毕业论文采用的是ANSYS软件，通过该软件建立模型，划分模型，并通过步步计算，最终得出滚动轮胎的温度分布图，详细步骤见下文。

1.4 本文组织结构

本文的第一章为绪论，主要介绍了论文选题的目的与意义，国内外的研究现状及发展趋势，并介绍了研究内容与研究方法。

本文的第二章为轮胎接地模型的接地过程。首先介绍了软件的选择——ANSYS，然后论述了轮胎模型建立的步骤：定义单元，设置材料参数，建立点线面，划分网格，旋转成体。之后论述了地面模型的建立以及轮胎与地面的接触问题，接触对的设置。最终得到轮胎接地模型。

本文的第三章为计算分析轮胎应力场，首先介绍了有限元的理论知识，然后分别论述了轮胎在静载荷下和滚动状态下的接地应力场的仿真计算过程，包括边界条件的设定。最后对结果进行了分析，得出结论并提出建议。

本文的第四章为计算分析轮胎温度场，首先介绍了数值计算法和对流化热系数的概念与应用。然后介绍了轮胎的生热机理：滞后生热与摩擦生热。接着提出基本假设，将三维模型简化为二维模型，并设置了单元类型和材料参数。然后详细论述了滚动轮胎稳态温度场的计算过程，包括：论述了初始温度的设置；节点生热率的意义，计算公式及计算过程；对流换热系数的公式，计算及对流的设置；添加内热源并设置稳态求解一秒并进行求解。得出分别在10,20,30,40km/h下轮胎的稳态温度分布图并进行分析，还画出不同速度下轮胎最高温度的关系图。并提出建议。

本文的第五章为总结与展望，总结论文的成果，问题与不足，并进行了对未来的展望。

轮胎接地模型建立

2.1 软件的选择

首先，经过对轮胎的结构和工作情况的了解，对本次研究的内容和意义的熟悉，决定采用ANSYS15.0软件的经典界面来完成此次任务。美国的ANSYS公司历时多年的潜心研究推出了ANSYS这一全球知名的大型有限元分析软件，在当今世界上，它的发展进步速度可以说是最快的之一，它还可以与大部分的其他电脑软件进行合作对接，交换资源，使用户的体验达到最好，如Creo、Algor、AutoCAD等。该软件的分析领域十分广阔，比如说磁场，电场，流体，非流体，物质结构等等，其的应用范围也很广，比如说核工业、造船、家电、生物医学、机械制造、电子、汽车运输、军工、能源、土木工程、铁路、航空航天、轻工、地质、水利、石化等行业。ANSYS由于它的多功能性和它的高操作性，早已在世界上流行多年，算是最著名的分析软件之一。许多年来，在FEA评估中基本都排名第一。目前，国内已有100多所高校采用ANSYS软件进行标准教学或作为有限元分析软件。ANSYS提供了方便的网格划分功能，包括以下几种划分网格的方法：延伸划分，映像划分，自由划分和自适应划分。延伸划分可以将二维网格展开成三维网格。映像划分允许我们把一些模型分为几个简洁的小部分，然后进行网格定义，控制，设置单元来生成图像网格。ANSYS的自由划分功能非常强大，可以直接划分复杂的模型，避免了将零件分开组装时网格不匹配的问题的产生。自适应分割是在生成具有边界条件的实体模型后，自动生成若干网格，这些网格通常为有限元网格对它的误差进行估算或者推算，还需要重新定义网格面积和数目，再对网格的离散误差进行分析和估计。直到错误小于定义的值。ANSYS软件可以用来简化或者解决一些复杂的工程问题，可以用来根据模型来进行研究并拓展，可以用来做一些日常材料、结构的仿真模拟，可以用来开发别的系统和软件并实现互联，还可以被用来分析各种问题，例如：分析压电，分析动力学或静力学问题，分析线性结构和非线性结构问题，分析电磁场，分析热力学问题和分析声波等等。该软件主要包括三种模块：后处理模块，分析计算模块和前处理模块。APDL是ANSYS的参数化设计语言，可以在界面中编写程序来自动完成许多操作。

2.2 轮胎模型的建立

为了进行轮胎的仿真，需要建立一个轮胎模型，首先打开ANSYS Mechanical经典界面，设置单元，设置两类单元，分别是Solid185单元和Mesh200单元。Mesh200是用来划分网格的，可以实现多步骤的网格划分，而且不会影响其他的单元的属性，也不会影响最后的计算结果。由于这次要模拟的轮胎是实心橡胶轮胎，需要允许轮胎产生大变形，所以需要设置一个单元，其应具有超弹性，适应蠕变，大变形和大应变的能力，所以设置成了Solid185单元。接着，还要输入材料的属性，打开软件中的材料属性选项，将杨氏模量设置为2.47E6Pa，泊松比设置为0.5，材料密度设置为1.31E3kg/m³，超弹性材料中Mooney-Rivlin中的参数设定为0.0029E6和0.943E6。之后准备开始建立轮胎模型。首先，明确了所需建的轮胎截面近似于一个倒过来的凸字形之后，准备先建立该截面，先在操作界面上画9个点，编号分别为1到9，见图2.1。

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