扇葉輪輻式非充氣輪胎：承載性能與氣動(dòng)特性的深度剖析

扇葉輪輻式非充氣輪胎：承載性能與氣動(dòng)特性的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義輪胎作為車輛與地面接觸的關(guān)鍵部件，其性能直接影響著車輛的行駛安全、操控穩(wěn)定性和舒適性。在過(guò)去的一個(gè)多世紀(jì)里，充氣輪胎憑借其良好的緩沖性能、較低的滾動(dòng)阻力和成本優(yōu)勢(shì)，成為了汽車、摩托車等各類車輛的主流選擇。然而，隨著車輛速度的不斷提高、行駛環(huán)境的日益復(fù)雜以及人們對(duì)安全性和舒適性要求的提升，傳統(tǒng)充氣輪胎的局限性逐漸凸顯出來(lái)。傳統(tǒng)充氣輪胎需要維持合適的內(nèi)部空氣壓力，這就要求車主定期檢查胎壓并進(jìn)行充氣或放氣操作。一旦胎壓不足或過(guò)高，不僅會(huì)影響輪胎的使用壽命，還會(huì)導(dǎo)致車輛操控性能下降，增加燃油消耗，甚至引發(fā)爆胎等嚴(yán)重安全事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因輪胎氣壓?jiǎn)栴}導(dǎo)致的交通事故數(shù)量眾多，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了巨大威脅。此外，充氣輪胎的制造工藝相對(duì)復(fù)雜，需要經(jīng)過(guò)多個(gè)工序，包括胎體成型、硫化等，這不僅增加了生產(chǎn)成本，還對(duì)環(huán)境造成了一定的污染。而且，充氣輪胎在使用過(guò)程中容易受到尖銳物體的穿刺，導(dǎo)致漏氣和爆胎，這在高速公路等路況下可能引發(fā)嚴(yán)重的后果，如車輛失控、碰撞等。為了解決傳統(tǒng)充氣輪胎的這些問(wèn)題，非充氣輪胎應(yīng)運(yùn)而生。非充氣輪胎摒棄了傳統(tǒng)的充氣結(jié)構(gòu)，通過(guò)自身的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)承載、緩沖和減震等功能。與傳統(tǒng)充氣輪胎相比，非充氣輪胎具有諸多優(yōu)勢(shì)。首先，非充氣輪胎不存在爆胎的風(fēng)險(xiǎn)，大大提高了車輛的行駛安全性。無(wú)論在何種路況下，非充氣輪胎都能保持穩(wěn)定的性能，為駕駛員提供可靠的保障。其次，非充氣輪胎無(wú)需定期維護(hù)，減少了車主的使用成本和時(shí)間成本。這對(duì)于那些經(jīng)常長(zhǎng)途駕駛或在惡劣環(huán)境下行駛的車輛來(lái)說(shuō)，具有重要的意義。此外，非充氣輪胎的使用壽命通常比充氣輪胎更長(zhǎng)，能夠減少輪胎更換的頻率，降低資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。在眾多非充氣輪胎的結(jié)構(gòu)形式中，扇葉輪輻式非充氣輪胎因其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和良好的性能表現(xiàn)而受到了廣泛關(guān)注。扇葉輪輻式非充氣輪胎的輪輻呈扇形分布，這種結(jié)構(gòu)能夠有效地分散載荷，提高輪胎的承載能力。同時(shí)，扇葉輪輻的彈性變形可以吸收路面的震動(dòng)和沖擊，為車輛提供良好的緩沖和減震效果，從而提升車輛的行駛舒適性。此外，扇葉輪輻式非充氣輪胎的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造工藝相對(duì)容易，有利于降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率。然而，目前對(duì)于扇葉輪輻式非充氣輪胎的研究還存在一些不足之處。在承載性能方面，雖然已有一些研究對(duì)其進(jìn)行了探討，但對(duì)于不同工況下的承載能力和變形規(guī)律，以及輪輻結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)承載性能的影響，還需要進(jìn)一步深入研究。在氣動(dòng)特性方面，由于扇葉輪輻式非充氣輪胎的輪輻結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其在高速行駛時(shí)的氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力等氣動(dòng)特性的研究還相對(duì)較少，這對(duì)于提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛穩(wěn)定性具有重要影響。因此，深入研究扇葉輪輻式非充氣輪胎的承載性能和氣動(dòng)特性具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)對(duì)其承載性能的研究，可以優(yōu)化輪輻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高輪胎的承載能力和可靠性，為車輛的安全行駛提供保障。通過(guò)對(duì)其氣動(dòng)特性的研究，可以降低輪胎的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力，提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛穩(wěn)定性，減少能源消耗和環(huán)境污染。此外，扇葉輪輻式非充氣輪胎在軍事、特種車輛、新能源汽車等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)其性能的深入研究將有助于推動(dòng)這些領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新。1.2研究目的與內(nèi)容本研究旨在深入探究扇葉輪輻式非充氣輪胎的承載性能和氣動(dòng)特性，為其優(yōu)化設(shè)計(jì)和廣泛應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。通過(guò)對(duì)該輪胎在不同工況下的承載性能進(jìn)行分析，明確其承載能力和變形規(guī)律，以及輪輻結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)承載性能的影響，從而為輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，提高輪胎的承載能力和可靠性。同時(shí)，研究扇葉輪輻式非充氣輪胎在高速行駛時(shí)的氣動(dòng)特性，包括氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力等，分析其產(chǎn)生的原因和影響因素，為降低輪胎的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力提供有效的方法和措施，提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛穩(wěn)定性。具體研究?jī)?nèi)容如下：扇葉輪輻式非充氣輪胎承載性能影響因素分析：運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入研究輪胎的材料特性、輪輻結(jié)構(gòu)參數(shù)（如輪輻數(shù)量、寬度、厚度、角度等）以及載荷工況（如垂直載荷、水平載荷、側(cè)向載荷等）對(duì)輪胎承載性能的影響規(guī)律。建立輪胎的力學(xué)模型，通過(guò)有限元分析軟件對(duì)輪胎在不同工況下的受力和變形情況進(jìn)行模擬計(jì)算，得到輪胎的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及承載能力等參數(shù)，為后續(xù)的研究提供數(shù)據(jù)支持。扇葉輪輻式非充氣輪胎氣動(dòng)特性影響因素分析：采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法，研究輪胎在不同行駛速度、路面條件以及輪胎結(jié)構(gòu)參數(shù)下的氣動(dòng)特性。建立輪胎的三維模型，并將其置于流場(chǎng)中進(jìn)行數(shù)值模擬，分析輪胎周圍的氣流流動(dòng)情況，得到氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力等參數(shù)隨各因素的變化規(guī)律。通過(guò)改變輪胎的輪輻形狀、間距、傾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)，探究其對(duì)氣動(dòng)特性的影響，為優(yōu)化輪胎的氣動(dòng)性能提供理論依據(jù)。扇葉輪輻式非充氣輪胎與傳統(tǒng)充氣輪胎性能對(duì)比：從承載性能、緩沖性能、滾動(dòng)阻力、燃油經(jīng)濟(jì)性以及行駛穩(wěn)定性等多個(gè)方面，對(duì)扇葉輪輻式非充氣輪胎和傳統(tǒng)充氣輪胎進(jìn)行全面的性能對(duì)比分析。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，獲取兩種輪胎在相同工況下的性能數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對(duì)比研究。分析扇葉輪輻式非充氣輪胎相對(duì)于傳統(tǒng)充氣輪胎的優(yōu)勢(shì)和不足，為其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣提供參考依據(jù)。扇葉輪輻式非充氣輪胎承載性能和氣動(dòng)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)：基于上述研究結(jié)果，運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)扇葉輪輻式非充氣輪胎的輪輻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以提高承載性能和降低氣動(dòng)阻力為目標(biāo)，建立優(yōu)化模型，通過(guò)優(yōu)化算法求解得到最優(yōu)的輪輻結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)優(yōu)化后的輪胎進(jìn)行性能驗(yàn)證，確保其在滿足承載性能要求的前提下，具有良好的氣動(dòng)性能和綜合性能。1.3研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)本研究綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，深入探究扇葉輪輻式非充氣輪胎的承載性能和氣動(dòng)特性。具體研究方法如下：理論分析：基于材料力學(xué)、彈性力學(xué)和車輛動(dòng)力學(xué)等相關(guān)理論，建立扇葉輪輻式非充氣輪胎的力學(xué)模型，分析輪胎在不同工況下的受力情況和變形規(guī)律。通過(guò)理論推導(dǎo)，得到輪胎的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及承載能力等參數(shù)的計(jì)算公式，為后續(xù)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。數(shù)值模擬：利用有限元分析軟件（如ANSYS、ABAQUS等）對(duì)扇葉輪輻式非充氣輪胎進(jìn)行建模和仿真分析。在承載性能研究方面，模擬輪胎在不同載荷工況下的力學(xué)響應(yīng)，包括應(yīng)力、應(yīng)變分布以及變形情況等，分析輪輻結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)承載性能的影響。在氣動(dòng)特性研究方面，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法，利用CFD軟件（如FLUENT、STAR-CCM+等）對(duì)輪胎在高速行駛時(shí)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析輪胎周圍的氣流流動(dòng)情況，得到氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力等參數(shù)隨行駛速度、路面條件以及輪胎結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究：設(shè)計(jì)并制作扇葉輪輻式非充氣輪胎的實(shí)驗(yàn)樣品，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果。在承載性能實(shí)驗(yàn)方面，采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)輪胎進(jìn)行靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)，測(cè)量輪胎在不同載荷下的變形量和承載能力，與理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。在氣動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)方面，搭建風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將輪胎安裝在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置上，通過(guò)改變風(fēng)速、風(fēng)向等實(shí)驗(yàn)條件，測(cè)量輪胎的氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力等參數(shù)，驗(yàn)證CFD模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：采用多物理場(chǎng)耦合分析方法：將結(jié)構(gòu)力學(xué)和流體力學(xué)相結(jié)合，考慮輪胎在承載過(guò)程中的變形對(duì)其氣動(dòng)特性的影響，以及氣流作用對(duì)輪胎結(jié)構(gòu)受力的影響，更加全面地揭示扇葉輪輻式非充氣輪胎的性能特性，為輪胎的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的理論依據(jù)。提出基于響應(yīng)面法的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路：以提高扇葉輪輻式非充氣輪胎的承載性能和降低氣動(dòng)阻力為目標(biāo)，采用響應(yīng)面法建立輪胎性能與輪輻結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)優(yōu)化算法求解得到最優(yōu)的輪輻結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)輪胎的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高輪胎的綜合性能。研究新型材料在扇葉輪輻式非充氣輪胎中的應(yīng)用：探索新型高性能材料（如高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料、新型彈性體材料等）在輪胎輪輻和外胎面中的應(yīng)用，通過(guò)材料性能的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的協(xié)同作用，進(jìn)一步提高輪胎的承載性能、降低滾動(dòng)阻力和提高耐久性，為非充氣輪胎的發(fā)展提供新的材料選擇和技術(shù)途徑。二、扇葉輪輻式非充氣輪胎的結(jié)構(gòu)與工作原理2.1輪胎的基本結(jié)構(gòu)組成扇葉輪輻式非充氣輪胎主要由輪轂、輪輻和外胎面等部件構(gòu)成，各部件相互配合，共同實(shí)現(xiàn)輪胎的各項(xiàng)功能。輪轂作為輪胎的核心支撐部件，位于輪胎的中心位置，通常由高強(qiáng)度的金屬材料制成，如鋁合金或鋼材。它通過(guò)螺栓或其他連接方式與車輛的車軸緊密相連，不僅負(fù)責(zé)將車輛的重量傳遞到輪胎上，還為輪輻和外胎面提供了穩(wěn)定的安裝基礎(chǔ)。在車輛行駛過(guò)程中，輪轂承受著來(lái)自車軸的扭矩和各種方向的力，因此需要具備足夠的強(qiáng)度和剛性，以確保輪胎的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和車輛的行駛安全。例如，在高速行駛或急加速、急制動(dòng)等工況下，輪轂需要承受較大的應(yīng)力，若其強(qiáng)度不足，可能會(huì)導(dǎo)致輪轂變形甚至損壞，從而影響車輛的操控性能和行駛穩(wěn)定性。輪輻是連接輪轂和外胎面的關(guān)鍵部件，呈扇形分布是其顯著特點(diǎn)。輪輻的主要作用是將外胎面受到的載荷傳遞到輪轂上，同時(shí)自身也承擔(dān)一部分載荷。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)輪胎的性能有著至關(guān)重要的影響。一般來(lái)說(shuō)，輪輻采用具有一定彈性的材料制造，如橡膠、聚氨酯或高強(qiáng)度復(fù)合材料等。這些材料能夠在保證輪輻強(qiáng)度的同時(shí)，賦予其良好的彈性和緩沖性能。當(dāng)輪胎受到路面的沖擊和震動(dòng)時(shí)，輪輻可以通過(guò)自身的彈性變形來(lái)吸收和分散能量，從而減少對(duì)車輛和駕乘人員的影響，提高行駛的舒適性。此外，輪輻的扇形結(jié)構(gòu)還能夠有效地分散載荷，使輪胎在承受較大壓力時(shí)，各部分受力更加均勻，避免局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的輪胎損壞。外胎面是輪胎與地面直接接觸的部分，其性能直接影響著輪胎的抓地力、耐磨性和抗滑性等。外胎面通常由耐磨、耐候性好的橡膠材料制成，并且在表面設(shè)計(jì)有各種花紋和溝槽。這些花紋和溝槽的作用各不相同，例如，縱向花紋主要用于排水，防止在濕滑路面上出現(xiàn)水滑現(xiàn)象，提高輪胎的濕地抓地力；橫向花紋則有助于增強(qiáng)輪胎的制動(dòng)性能和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性；而復(fù)雜的花紋組合還可以降低輪胎的滾動(dòng)阻力，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。此外，外胎面的橡膠材料還需要具備良好的耐磨性，以保證輪胎在長(zhǎng)期使用過(guò)程中能夠保持穩(wěn)定的性能。在不同的路面條件下，外胎面的花紋和橡膠性能需要進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，以滿足車輛的行駛需求。例如，在越野路面上，需要更粗大、更深的花紋來(lái)提供更好的抓地力和通過(guò)性；而在城市道路上，更注重花紋的降噪和節(jié)能效果。輪轂、輪輻和外胎面這三個(gè)主要部件相互配合，協(xié)同工作。輪轂提供穩(wěn)定的支撐，輪輻傳遞載荷并緩沖震動(dòng)，外胎面則直接與地面接觸，實(shí)現(xiàn)輪胎的抓地、耐磨等功能。它們之間的緊密連接和相互作用，是扇葉輪輻式非充氣輪胎能夠正常工作的基礎(chǔ)，共同決定了輪胎的承載性能、緩沖性能、操控性能等關(guān)鍵性能指標(biāo)。2.2輪輻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)理念扇葉輪輻式輪輻具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其輪輻呈扇形分布，從輪轂向外周延伸，各輪輻之間均勻間隔。這種布局方式使得輪胎在圓周方向上的受力更加均勻，有效避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)車輛行駛在不平整路面時(shí)，輪胎所受的沖擊載荷能夠通過(guò)扇形輪輻均勻地分散到輪轂上，從而降低了局部過(guò)載的風(fēng)險(xiǎn)，提高了輪胎的可靠性和耐久性。從結(jié)構(gòu)形狀來(lái)看，扇葉輪輻通常具有一定的曲率和厚度變化。輪輻的根部（與輪轂連接的部位）相對(duì)較厚，以承受較大的載荷和扭矩傳遞；而輪輻的端部（靠近外胎面的部位）則相對(duì)較薄，這樣既能保證輪輻在傳遞載荷時(shí)的強(qiáng)度要求，又能減輕輪胎的整體重量，提高能源利用效率。例如，在一些高性能的扇葉輪輻式非充氣輪胎中，輪輻根部的厚度可能是端部厚度的1.5-2倍，通過(guò)這種合理的厚度設(shè)計(jì)，使得輪輻在保證承載能力的同時(shí)，盡可能地降低了自身重量，提升了車輛的操控性能。扇葉輪輻式輪輻的設(shè)計(jì)理念緊密圍繞著支撐、減震和抗沖擊等功能展開(kāi)。在支撐方面，輪輻的扇形結(jié)構(gòu)能夠?yàn)橥馓ッ嫣峁┓€(wěn)定的支撐，確保輪胎在承載車輛重量時(shí)保持良好的形狀和性能。輪輻通過(guò)與輪轂的連接，將車輛的重量均勻地分散到整個(gè)輪胎上，使得輪胎與地面的接觸更加均勻，提高了輪胎的接地性能和抓地力。在車輛滿載行駛時(shí)，扇葉輪輻能夠有效地支撐起車輛的重量，使輪胎與地面的接觸面積保持在合理范圍內(nèi)，避免因局部壓力過(guò)大而導(dǎo)致輪胎磨損加劇或性能下降。在減震方面，輪輻采用的彈性材料以及其自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予了輪胎良好的減震性能。當(dāng)輪胎受到路面的震動(dòng)和沖擊時(shí)，輪輻會(huì)發(fā)生彈性變形，將部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能，從而起到緩沖和減震的作用。這種減震效果不僅能夠提高車輛的行駛舒適性，還能減少對(duì)車輛其他部件的沖擊和損壞，延長(zhǎng)車輛的使用壽命。當(dāng)車輛行駛過(guò)減速帶時(shí)，輪輻的彈性變形能夠有效地吸收沖擊能量，減少車輛的顛簸感，為駕乘人員提供更加舒適的乘坐體驗(yàn)。在抗沖擊方面，輪輻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇使其具備較強(qiáng)的抗沖擊能力。輪輻的扇形布局和合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠有效地分散沖擊力，避免沖擊力集中在某一點(diǎn)而導(dǎo)致輪胎損壞。同時(shí)，采用高強(qiáng)度、高韌性的材料制造輪輻，能夠提高輪輻在受到?jīng)_擊時(shí)的抵抗能力，確保輪胎在惡劣路況下的正常使用。在遇到較大的路面障礙物時(shí)，扇葉輪輻能夠通過(guò)自身的結(jié)構(gòu)和材料特性，有效地分散和吸收沖擊力，保護(hù)輪胎和車輛不受嚴(yán)重?fù)p壞。2.3承載與氣動(dòng)工作原理剖析當(dāng)車輛處于靜止或行駛狀態(tài)時(shí)，輪胎會(huì)承受來(lái)自車輛自身重量以及各種動(dòng)態(tài)載荷的作用。在承載過(guò)程中，輪輻發(fā)揮著關(guān)鍵的力傳遞作用。以外胎面與地面接觸點(diǎn)為起點(diǎn)，當(dāng)輪胎受到垂直載荷時(shí)，外胎面首先將力傳遞給與之相連的輪輻。由于輪輻呈扇形分布，這些力會(huì)沿著輪輻的軸向和徑向進(jìn)行分散傳遞。在軸向方向，力通過(guò)輪輻的結(jié)構(gòu)逐漸向輪轂匯聚；在徑向方向，力則在輪輻之間相互傳遞，使得整個(gè)輪胎結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)載荷。從變形機(jī)制來(lái)看，輪輻在受力時(shí)會(huì)發(fā)生彈性變形。當(dāng)承受的載荷較小時(shí)，輪輻的變形處于彈性范圍內(nèi)，能夠迅速恢復(fù)原狀，這有助于保證輪胎的正常形狀和性能。隨著載荷的增加，輪輻的變形程度也會(huì)相應(yīng)增大。在這個(gè)過(guò)程中，輪輻的材料特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其變形行為有著重要影響。若輪輻采用的材料彈性模量較低，在相同載荷下，輪輻的變形量會(huì)相對(duì)較大；而輪輻的厚度、寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)也會(huì)影響其抗彎、抗扭能力，進(jìn)而影響變形程度。當(dāng)輪輻厚度增加時(shí)，其抗彎能力增強(qiáng)，在承受相同彎矩時(shí)的變形量會(huì)減小。當(dāng)輪胎在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，周圍的空氣會(huì)與輪胎發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生氣動(dòng)效應(yīng)。車輛行駛時(shí)，輪胎以一定的速度旋轉(zhuǎn)，其表面與空氣之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)?？諝鈺?huì)在輪胎表面形成邊界層，由于輪胎的形狀和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的復(fù)雜性，邊界層內(nèi)的氣流速度和壓力分布不均勻。在輪胎的迎風(fēng)面，空氣受到擠壓，壓力升高；而在背風(fēng)面，空氣則會(huì)形成一定的負(fù)壓區(qū)，壓力降低。這種壓力差會(huì)導(dǎo)致輪胎受到氣動(dòng)阻力，阻礙車輛的前進(jìn)。輪胎的旋轉(zhuǎn)還會(huì)帶動(dòng)周圍空氣產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成復(fù)雜的氣流場(chǎng)。在輪胎與地面接觸區(qū)域附近，空氣的流動(dòng)受到地面的限制，會(huì)形成獨(dú)特的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。這些氣流的運(yùn)動(dòng)不僅會(huì)影響輪胎的氣動(dòng)阻力，還可能產(chǎn)生氣動(dòng)升力。當(dāng)輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或行駛狀態(tài)使得氣流在輪胎上下表面的流速和壓力分布差異較大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生向上的氣動(dòng)升力。如果氣動(dòng)升力過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致輪胎與地面的附著力減小，影響車輛的操控穩(wěn)定性和行駛安全性。三、影響承載性能的因素分析3.1輪輻材料特性的影響3.1.1材料的力學(xué)性能參數(shù)在扇葉輪輻式非充氣輪胎的輪輻制造中，聚氨酯和橡膠是較為常用的材料，它們各自具備獨(dú)特的力學(xué)性能參數(shù)。聚氨酯橡膠是一種高性能的彈性體材料，其彈性模量通常處于10-50MPa的范圍。這一數(shù)值范圍使得聚氨酯在保證一定彈性的同時(shí)，還具備較好的剛性，能夠有效地支撐載荷。在受到較小的外力作用時(shí)，聚氨酯輪輻能夠發(fā)生一定程度的彈性變形，并且在去除外力后迅速恢復(fù)原狀，這為輪胎提供了良好的緩沖性能。其拉伸強(qiáng)度十分出色，可達(dá)30-50MPa，這意味著聚氨酯輪輻在承受較大拉力時(shí)，具有較高的抵抗斷裂的能力。在車輛行駛過(guò)程中，當(dāng)輪胎遇到較大的沖擊或拉伸載荷時(shí)，聚氨酯輪輻能夠憑借其高拉伸強(qiáng)度，有效地分散和承受這些力，避免輪輻發(fā)生斷裂，從而保證輪胎的正常使用。聚氨酯橡膠的斷裂伸長(zhǎng)率也較高，一般可達(dá)400%-800%，這使得它在受力時(shí)能夠產(chǎn)生較大的變形而不斷裂，進(jìn)一步增強(qiáng)了輪胎的柔韌性和耐用性。橡膠材料在輪胎制造中歷史悠久且應(yīng)用廣泛。天然橡膠作為一種常見(jiàn)的橡膠材料，其彈性模量相對(duì)較低，大約在1-5MPa之間。較低的彈性模量賦予了天然橡膠出色的彈性，使其能夠在受到外力時(shí)迅速發(fā)生較大的彈性變形，有效地吸收和緩沖路面的沖擊。在車輛行駛過(guò)顛簸路面時(shí)，天然橡膠輪輻能夠通過(guò)自身的彈性變形，將路面的沖擊力轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能，減少對(duì)車輛和駕乘人員的震動(dòng)影響。天然橡膠的拉伸強(qiáng)度一般在20-30MPa左右，雖然相較于聚氨酯橡膠略低，但在硫化處理后，其拉伸強(qiáng)度可以得到顯著提高，能夠滿足輪胎在大多數(shù)工況下的承載需求。其斷裂伸長(zhǎng)率較高，可達(dá)500%-700%，這使得天然橡膠在受力變形時(shí)具有較大的延展空間，不易發(fā)生斷裂，保證了輪胎的可靠性。除了上述主要性能參數(shù)外，材料的硬度、耐磨性、耐疲勞性等也是影響輪輻性能的重要因素。聚氨酯橡膠的硬度范圍較寬，邵爾硬度可在A10-D80之間調(diào)整，這使得它能夠根據(jù)不同的使用需求，通過(guò)調(diào)整配方來(lái)獲得合適的硬度，以滿足輪胎在不同工況下的性能要求。在一些需要較高承載能力的場(chǎng)合，可以選擇硬度較高的聚氨酯材料；而在對(duì)舒適性要求較高的情況下，則可以選擇硬度較低的聚氨酯材料。聚氨酯橡膠還具有良好的耐磨性和耐疲勞性，能夠在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中保持穩(wěn)定的性能，減少輪輻的磨損和疲勞損壞，延長(zhǎng)輪胎的使用壽命。橡膠材料中的丁腈橡膠具有優(yōu)良的耐油性，這使得它在一些特殊工況下，如車輛在油污環(huán)境中行駛時(shí)，能夠保持較好的性能。其拉伸強(qiáng)度一般在10-20MPa之間，經(jīng)過(guò)硫化處理后，強(qiáng)度可顯著提高。氯丁橡膠則具有良好的耐候性、耐臭氧性和阻燃性，在戶外環(huán)境或?qū)Ψ阑鹨筝^高的場(chǎng)合，氯丁橡膠輪輻能夠發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。不同橡膠材料的這些特性，為輪輻的設(shè)計(jì)和制造提供了多樣化的選擇，使其能夠根據(jù)輪胎的使用場(chǎng)景和性能需求，選擇最合適的材料。3.1.2不同材料對(duì)承載性能的影響差異為了深入探究不同材料對(duì)扇葉輪輻式非充氣輪胎承載性能的影響差異，通過(guò)有限元模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方式進(jìn)行研究。在有限元模擬中，建立了精確的輪胎模型，分別對(duì)聚氨酯和橡膠材料制成的輪輻在相同載荷條件下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行模擬分析。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試方面，制作了兩種材料的輪輻樣品，并安裝在相同規(guī)格的輪胎上，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行靜態(tài)加載和動(dòng)態(tài)模擬行駛測(cè)試。從模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在相同的垂直載荷作用下，聚氨酯材料制成的輪輻其變形量相對(duì)較小。當(dāng)施加1000N的垂直載荷時(shí)，聚氨酯輪輻的最大變形量約為2mm，而橡膠輪輻的最大變形量則達(dá)到了3.5mm左右。這表明聚氨酯材料具有較高的剛度，能夠更有效地抵抗變形，從而在承載過(guò)程中保持輪胎的形狀穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，較小的變形量意味著輪胎在承受載荷時(shí)，能夠更好地維持與地面的接觸狀態(tài)，提供更穩(wěn)定的支撐力，有利于提高車輛的行駛安全性和操控穩(wěn)定性。從應(yīng)力分布情況來(lái)看，兩種材料也存在明顯差異。在相同載荷下，聚氨酯輪輻的應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在輪輻與輪轂的連接處，約為15MPa。而橡膠輪輻的應(yīng)力分布則相對(duì)集中，在輪輻的某些部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達(dá)到了20MPa左右，且應(yīng)力集中區(qū)域容易出現(xiàn)疲勞裂紋，從而影響輪胎的使用壽命。這種應(yīng)力分布的差異主要是由于兩種材料的力學(xué)性能不同所導(dǎo)致的。聚氨酯材料的高強(qiáng)度和較好的彈性模量，使得它在承受載荷時(shí)能夠更均勻地分散應(yīng)力；而橡膠材料的彈性模量較低，在受力時(shí)容易產(chǎn)生局部變形，導(dǎo)致應(yīng)力集中。在動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試中，模擬車輛在不同路況下行駛時(shí)輪胎所受到的沖擊和震動(dòng)。結(jié)果顯示，聚氨酯輪輻在承受動(dòng)態(tài)載荷時(shí)，能夠更快地恢復(fù)到初始狀態(tài)，具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。在經(jīng)過(guò)連續(xù)的顛簸路面測(cè)試后，聚氨酯輪輻的疲勞損傷程度相對(duì)較小，而橡膠輪輻則出現(xiàn)了較為明顯的疲勞跡象，如表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋等。這說(shuō)明聚氨酯材料的耐疲勞性能優(yōu)于橡膠材料，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)載荷工況，延長(zhǎng)輪胎的使用壽命。綜合來(lái)看，聚氨酯材料由于其較高的彈性模量、拉伸強(qiáng)度和更均勻的應(yīng)力分布，在承載性能方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。它能夠在承受較大載荷時(shí)，保持較小的變形量和更穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，為輪胎提供更可靠的支撐。然而，橡膠材料也具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如成本較低、彈性較好等，在一些對(duì)承載性能要求不是特別高的場(chǎng)合，仍然具有一定的應(yīng)用價(jià)值。在實(shí)際的輪胎設(shè)計(jì)和制造中，需要根據(jù)具體的使用需求和成本考慮，合理選擇輪輻材料，以達(dá)到最佳的性能和經(jīng)濟(jì)效益平衡。3.2輪輻結(jié)構(gòu)參數(shù)的作用3.2.1輪輻的形狀與尺寸輪輻的截面形狀對(duì)扇葉輪輻式非充氣輪胎的承載性能有著顯著影響。常見(jiàn)的輪輻截面形狀包括V形、弧形等，每種形狀都有其獨(dú)特的力學(xué)特性和承載優(yōu)勢(shì)。V形截面輪輻具有良好的抗彎性能，能夠有效地抵抗彎曲變形。當(dāng)輪胎受到垂直載荷時(shí)，V形輪輻的兩個(gè)斜邊能夠?qū)⒘Ψ稚⒌捷嗇炆?，從而減少輪輻的彎曲應(yīng)力。在一些重載車輛的輪胎設(shè)計(jì)中，采用V形截面輪輻可以提高輪胎的承載能力，使其能夠承受更大的重量。然而，V形截面輪輻在抗扭性能方面相對(duì)較弱，當(dāng)輪胎受到扭矩作用時(shí)，V形輪輻的斜邊容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致輪輻的損壞?；⌒谓孛孑嗇梽t具有較好的彈性和緩沖性能?；⌒蔚慕Y(jié)構(gòu)能夠使輪輻在受力時(shí)發(fā)生一定的彈性變形，從而吸收和分散能量，減少對(duì)車輛和駕乘人員的沖擊。在一些對(duì)舒適性要求較高的車輛輪胎中，如轎車輪胎，采用弧形截面輪輻可以提高輪胎的減震效果，提升車輛的行駛舒適性。弧形截面輪輻的承載能力相對(duì)較弱，在承受較大載荷時(shí)，容易發(fā)生較大的變形。輪輻的長(zhǎng)度、寬度和厚度等尺寸參數(shù)也對(duì)輪胎的承載性能有著重要影響。一般來(lái)說(shuō)，輪輻長(zhǎng)度的增加會(huì)導(dǎo)致輪輻的抗彎能力下降，因?yàn)檩嗇椩介L(zhǎng)，在相同載荷下所產(chǎn)生的彎矩就越大，容易引起輪輻的彎曲變形。但輪輻長(zhǎng)度的增加也會(huì)使輪胎的接地面積增大，從而提高輪胎的抓地力和穩(wěn)定性。在一些對(duì)操控性能要求較高的車輛中，適當(dāng)增加輪輻長(zhǎng)度可以提高輪胎的操控性能，但需要同時(shí)考慮輪輻的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。輪輻寬度的增加可以提高輪輻的抗彎和抗扭能力，因?yàn)檩^寬的輪輻能夠提供更大的承載面積，分散載荷，減少應(yīng)力集中。在一些需要承受較大載荷的輪胎中，如卡車輪胎，增加輪輻寬度可以提高輪胎的承載能力。然而，輪輻寬度的增加也會(huì)增加輪胎的重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而影響車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和操控性能。因此，在設(shè)計(jì)輪胎時(shí)，需要在輪輻寬度和車輛性能之間進(jìn)行權(quán)衡。輪輻厚度的增加可以顯著提高輪輻的強(qiáng)度和承載能力。較厚的輪輻能夠承受更大的載荷，減少輪輻在受力時(shí)的變形和損壞風(fēng)險(xiǎn)。在一些極端工況下，如越野車輛在崎嶇路面行駛時(shí)，采用厚輪輻可以保證輪胎的可靠性和耐久性。但輪輻厚度的增加也會(huì)導(dǎo)致輪胎重量增加，成本上升，同時(shí)可能會(huì)影響輪胎的散熱性能。因此，在確定輪輻厚度時(shí)，需要綜合考慮輪胎的使用場(chǎng)景、性能要求和成本等因素。3.2.2輻條數(shù)量與布局方式輻條數(shù)量的變化對(duì)扇葉輪輻式非充氣輪胎的承載能力和穩(wěn)定性有著重要影響。當(dāng)輻條數(shù)量較少時(shí)，每個(gè)輻條需要承擔(dān)更大的載荷，這對(duì)輻條的強(qiáng)度和剛度提出了更高的要求。在低負(fù)載情況下，較少的輻條數(shù)量可以減輕輪胎的重量，降低滾動(dòng)阻力，提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。在一些小型車輛或?qū)θ加徒?jīng)濟(jì)性要求較高的車輛中，可能會(huì)采用較少輻條數(shù)量的輪胎設(shè)計(jì)。然而，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，較少的輻條數(shù)量可能導(dǎo)致個(gè)別輻條過(guò)載，從而影響輪胎的可靠性和使用壽命。在重載車輛中，如果輻條數(shù)量不足，可能會(huì)出現(xiàn)輻條斷裂等問(wèn)題，危及行車安全。隨著輻條數(shù)量的增加，輪胎的承載能力會(huì)相應(yīng)提高。更多的輻條可以更均勻地分散載荷，減少單個(gè)輻條的受力，從而降低輻條的應(yīng)力水平，提高輪胎的可靠性。在一些大型車輛或需要承受較大載荷的車輛中，通常會(huì)采用較多輻條數(shù)量的輪胎設(shè)計(jì)，以確保輪胎能夠安全可靠地工作。但輻條數(shù)量過(guò)多也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如增加輪胎的重量和成本，影響輪胎的散熱性能，同時(shí)過(guò)多的輻條可能會(huì)導(dǎo)致氣流在輪胎周圍的流動(dòng)更加復(fù)雜，增加氣動(dòng)阻力。輻條的布局方式，即均勻分布和非均勻分布，也會(huì)對(duì)輪胎的性能產(chǎn)生不同的影響。均勻分布的輻條布局使得輪胎在圓周方向上的受力更加均勻，能夠有效地避免應(yīng)力集中現(xiàn)象。在車輛行駛過(guò)程中，均勻分布的輻條可以使輪胎更好地適應(yīng)各種路況，保持穩(wěn)定的性能。在高速公路行駛時(shí)，均勻分布的輻條能夠保證輪胎的平衡性，減少車輛的震動(dòng)和噪音。均勻分布的輻條布局在某些特殊工況下可能無(wú)法充分發(fā)揮輪胎的性能優(yōu)勢(shì)。非均勻分布的輻條布局則可以根據(jù)輪胎的受力特點(diǎn)和使用需求，對(duì)輻條的分布進(jìn)行優(yōu)化。在輪胎的主要受力區(qū)域增加輻條數(shù)量或調(diào)整輻條的角度，以提高該區(qū)域的承載能力。在一些越野車輛的輪胎設(shè)計(jì)中，可能會(huì)在輪胎的外側(cè)增加輻條數(shù)量，以增強(qiáng)輪胎在越野時(shí)對(duì)側(cè)向力的承受能力。非均勻分布的輻條布局需要更加精確的設(shè)計(jì)和計(jì)算，以確保輪胎的整體性能不受影響。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，非均勻分布的輻條布局可能會(huì)導(dǎo)致輪胎的平衡性和穩(wěn)定性下降，影響車輛的行駛安全。3.3外部載荷條件的作用3.3.1靜態(tài)載荷下的承載表現(xiàn)在靜態(tài)載荷作用下，扇葉輪輻式非充氣輪胎的變形主要集中在輪輻和外胎面區(qū)域。隨著垂直載荷的逐漸增加，輪輻會(huì)發(fā)生彎曲變形，外胎面則會(huì)與地面接觸區(qū)域產(chǎn)生壓縮變形。通過(guò)有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加1500N的垂直靜態(tài)載荷時(shí)，輪輻的最大彎曲變形量約為3mm，主要發(fā)生在輪輻的中部位置。這是因?yàn)檩嗇椫胁烤嚯x輪轂和外胎面的支撐點(diǎn)較遠(yuǎn)，在承受載荷時(shí)容易產(chǎn)生較大的彎矩，從而導(dǎo)致彎曲變形。而外胎面與地面接觸區(qū)域的壓縮變形量約為1.5mm，這是由于外胎面直接承受地面的反作用力，在垂直載荷作用下發(fā)生了彈性壓縮。在應(yīng)力分布方面，輪輻與輪轂的連接處以及輪輻的根部是應(yīng)力集中的主要區(qū)域。在上述1500N垂直載荷下，輪輻與輪轂連接處的最大應(yīng)力可達(dá)20MPa，這是因?yàn)榇颂幨禽嗇椗c輪轂的過(guò)渡部位，力的傳遞較為復(fù)雜，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。輪輻根部的應(yīng)力也相對(duì)較高，約為18MPa，這是由于輪輻根部需要承受較大的彎矩和扭矩，以將外胎面?zhèn)鬟f的載荷傳遞到輪轂上。而外胎面與地面接觸區(qū)域的應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻，最大值約為10MPa，這是因?yàn)橥馓ッ嫱ㄟ^(guò)自身的彈性變形將載荷分散到了較大的接觸面積上。在承載過(guò)程中，輪輻與其他部件之間存在著協(xié)同承載的關(guān)系。輪輻作為連接輪轂和外胎面的關(guān)鍵部件，在傳遞載荷的過(guò)程中，與外胎面和輪轂相互作用。外胎面首先將地面的反作用力傳遞給輪輻，輪輻再將這些力傳遞到輪轂上。在這個(gè)過(guò)程中，外胎面的彈性變形會(huì)影響輪輻的受力情況，而輪輻的變形也會(huì)對(duì)外胎面的接觸狀態(tài)產(chǎn)生影響。當(dāng)外胎面受到較大的垂直載荷時(shí)，其彈性變形會(huì)增大，從而使輪輻受到的拉力和彎矩也相應(yīng)增加。而輪輻的彎曲變形則會(huì)導(dǎo)致外胎面與地面的接觸面積和接觸壓力分布發(fā)生變化。為了提高輪胎在靜態(tài)載荷下的承載能力，可以采取多種措施。優(yōu)化輪輻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，如增加輪輻的厚度、改變輪輻的截面形狀等，可以提高輪輻的抗彎和抗扭能力，從而減少輪輻的變形和應(yīng)力集中。采用高強(qiáng)度的材料制造輪輻和外胎面，能夠提高材料的屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，使輪胎能夠承受更大的載荷。合理設(shè)計(jì)輪胎的接地形狀和接地面積，也可以優(yōu)化輪胎的承載性能，減少局部應(yīng)力集中。通過(guò)增加外胎面的寬度或采用特殊的花紋設(shè)計(jì)，可以增大輪胎與地面的接觸面積，降低單位面積上的壓力，從而提高輪胎的承載能力。3.3.2動(dòng)態(tài)載荷下的響應(yīng)特性在動(dòng)態(tài)載荷作用下，扇葉輪輻式非充氣輪胎會(huì)受到?jīng)_擊和振動(dòng)等復(fù)雜載荷的影響。當(dāng)輪胎受到?jīng)_擊時(shí)，如車輛行駛過(guò)坑洼路面或障礙物時(shí)，輪輻會(huì)受到瞬間的沖擊力作用。在這種情況下，輪輻的應(yīng)力會(huì)迅速增大，可能會(huì)超過(guò)其材料的屈服強(qiáng)度，從而導(dǎo)致輪輻的塑性變形甚至斷裂。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輪胎以20km/h的速度通過(guò)高度為50mm的障礙物時(shí)，輪輻所受到的最大沖擊力可達(dá)5000N，此時(shí)輪輻的最大應(yīng)力瞬間達(dá)到35MPa，接近材料的屈服強(qiáng)度。如果輪輻的強(qiáng)度不足，就可能會(huì)在這種沖擊載荷下發(fā)生損壞。輪輻的疲勞壽命是衡量其在動(dòng)態(tài)載荷下性能的重要指標(biāo)。在長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)載荷作用下，輪輻會(huì)經(jīng)歷反復(fù)的應(yīng)力循環(huán)，容易產(chǎn)生疲勞裂紋。隨著疲勞裂紋的不斷擴(kuò)展，最終會(huì)導(dǎo)致輪輻的疲勞斷裂。為了評(píng)估輪輻的疲勞壽命，采用了疲勞分析方法，結(jié)合材料的S-N曲線（應(yīng)力-壽命曲線）和輪輻在動(dòng)態(tài)載荷下的應(yīng)力歷程，計(jì)算出輪輻的疲勞壽命。在模擬車輛行駛10萬(wàn)公里的動(dòng)態(tài)載荷工況下，通過(guò)疲勞分析預(yù)測(cè)，輪輻的疲勞壽命約為8萬(wàn)公里。這表明在實(shí)際使用中，輪輻需要具備足夠的抗疲勞性能，以滿足車輛的長(zhǎng)期使用需求。能量吸收能力是扇葉輪輻式非充氣輪胎在動(dòng)態(tài)載荷下的另一個(gè)重要性能指標(biāo)。在受到?jīng)_擊和振動(dòng)時(shí)，輪胎需要通過(guò)自身的變形來(lái)吸收能量，減少對(duì)車輛和駕乘人員的沖擊。輪輻的彈性變形在能量吸收過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當(dāng)輪胎受到?jīng)_擊時(shí)，輪輻會(huì)發(fā)生彈性變形，將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能，從而起到緩沖和減震的作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，在上述通過(guò)障礙物的沖擊工況下，輪輻能夠吸收約80%的沖擊能量，有效地降低了沖擊對(duì)車輛的影響。為了提高輪胎在動(dòng)態(tài)載荷下的性能，可以采取一系列措施。在輪輻的材料選擇上，優(yōu)先選用具有高疲勞強(qiáng)度和良好能量吸收特性的材料，如高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料或高性能的橡膠材料。這些材料能夠在承受動(dòng)態(tài)載荷時(shí)，具有更好的抗疲勞性能和能量吸收能力，延長(zhǎng)輪輻的使用壽命。優(yōu)化輪輻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用合理的截面形狀和尺寸參數(shù)，能夠提高輪輻的抗沖擊能力和能量吸收效率。增加輪輻的厚度、改變輪輻的曲率半徑等，都可以使輪輻在受到?jīng)_擊時(shí)，更好地分散應(yīng)力，吸收能量。還可以通過(guò)改進(jìn)輪胎的整體結(jié)構(gòu)，如增加緩沖層或采用特殊的減震裝置，進(jìn)一步提高輪胎在動(dòng)態(tài)載荷下的緩沖和減震性能，減少對(duì)車輛和駕乘人員的影響。四、承載性能的研究與分析4.1理論分析方法與模型建立4.1.1力學(xué)分析理論基礎(chǔ)彈性力學(xué)作為固體力學(xué)的重要分支，為扇葉輪輻式非充氣輪胎的承載性能分析提供了關(guān)鍵的理論支撐。在輪胎的受力分析中，彈性力學(xué)的基本假設(shè)，如連續(xù)性假設(shè)、完全彈性假設(shè)、均勻性假設(shè)和各向同性假設(shè)等，使得對(duì)輪胎復(fù)雜力學(xué)行為的研究得以簡(jiǎn)化和深入。連續(xù)性假設(shè)認(rèn)為輪胎材料在整個(gè)體積內(nèi)是連續(xù)分布的，不存在空隙，這為建立連續(xù)的力學(xué)模型提供了基礎(chǔ)。完全彈性假設(shè)則保證了輪胎在受力后的變形與應(yīng)力之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，且卸載后能完全恢復(fù)原狀，這對(duì)于分析輪胎在不同載荷下的變形和應(yīng)力分布至關(guān)重要。基于這些假設(shè)，彈性力學(xué)中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，如廣義胡克定律，能夠準(zhǔn)確描述輪胎材料在受力時(shí)的力學(xué)響應(yīng)。在輪胎受到復(fù)雜的多向載荷作用時(shí)，廣義胡克定律可以通過(guò)應(yīng)力分量和應(yīng)變分量之間的線性關(guān)系，計(jì)算出輪胎內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)。當(dāng)輪胎受到垂直載荷和側(cè)向載荷的共同作用時(shí)，通過(guò)廣義胡克定律可以確定輪胎內(nèi)部不同位置的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，以及相應(yīng)的線應(yīng)變和剪應(yīng)變，從而深入了解輪胎的受力情況和變形規(guī)律。材料力學(xué)中的梁理論在分析扇葉輪輻式非充氣輪胎的輪輻承載性能時(shí)具有重要應(yīng)用。輪輻可以近似看作是一端固定在輪轂上，另一端連接外胎面的梁結(jié)構(gòu)。根據(jù)梁的彎曲理論，當(dāng)輪輻受到垂直載荷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生彎矩和剪力，從而導(dǎo)致輪輻發(fā)生彎曲變形。通過(guò)材料力學(xué)中的公式，可以計(jì)算出輪輻在不同位置的彎矩、剪力和彎曲應(yīng)力。根據(jù)梁的彎曲正應(yīng)力公式\sigma=\frac{My}{I}（其中\(zhòng)sigma為彎曲正應(yīng)力，M為彎矩，y為所求點(diǎn)到中性軸的距離，I為梁的截面慣性矩），可以計(jì)算出輪輻在特定載荷下的最大彎曲應(yīng)力，進(jìn)而評(píng)估輪輻的強(qiáng)度是否滿足要求。材料力學(xué)中的扭轉(zhuǎn)理論也適用于分析輪輻在承受扭矩時(shí)的力學(xué)行為。當(dāng)車輛行駛過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)向或加速等操作，輪胎會(huì)受到扭矩的作用，此時(shí)輪輻需要承受并傳遞扭矩。通過(guò)扭轉(zhuǎn)理論中的公式，如扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力公式\tau=\frac{T\rho}{I_p}（其中\(zhòng)tau為扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，T為扭矩，\rho為所求點(diǎn)到圓心的距離，I_p為極慣性矩），可以計(jì)算出輪輻在扭矩作用下的剪應(yīng)力分布，從而了解輪輻在扭轉(zhuǎn)情況下的力學(xué)性能。在輪胎的實(shí)際工作中，還需要考慮接觸力學(xué)理論。輪胎與地面之間的接觸是一個(gè)復(fù)雜的非線性過(guò)程，涉及到接觸壓力、摩擦力等因素。接觸力學(xué)理論可以幫助我們分析輪胎與地面接觸區(qū)域的應(yīng)力分布和變形情況，從而優(yōu)化輪胎的接地性能和抓地力。赫茲接觸理論是接觸力學(xué)中的經(jīng)典理論，它可以用于計(jì)算輪胎與地面在小變形情況下的接觸壓力分布和接觸面積，為輪胎的設(shè)計(jì)和性能分析提供重要的參考依據(jù)。4.1.2建立承載性能分析模型基于上述力學(xué)理論，建立扇葉輪輻式非充氣輪胎的承載性能分析模型。在模型中，將輪胎的各個(gè)部件，如輪轂、輪輻和外胎面，分別進(jìn)行建模，并考慮它們之間的相互作用。采用有限元方法對(duì)輪胎進(jìn)行離散化處理，將輪胎劃分為多個(gè)有限大小的單元，如四面體單元、六面體單元等。通過(guò)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行力學(xué)分析，再將所有單元的結(jié)果進(jìn)行組裝，從而得到整個(gè)輪胎的力學(xué)響應(yīng)。在劃分網(wǎng)格時(shí)，需要根據(jù)輪胎的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分析精度要求，合理確定單元的大小和形狀。在輪輻與輪轂、外胎面的連接部位，由于應(yīng)力變化較為復(fù)雜，需要采用較小的單元尺寸，以提高計(jì)算精度；而在輪胎的其他部位，可以適當(dāng)增大單元尺寸，以減少計(jì)算量。對(duì)于輪胎與地面的接觸，采用接觸單元進(jìn)行模擬。通過(guò)定義接觸對(duì)，即輪胎與地面的接觸表面，以及設(shè)置合適的接觸參數(shù)，如摩擦系數(shù)、接觸剛度等，來(lái)模擬輪胎與地面之間的相互作用。摩擦系數(shù)的大小會(huì)影響輪胎與地面之間的摩擦力，從而影響輪胎的抓地力和行駛穩(wěn)定性；接觸剛度則決定了輪胎與地面在接觸時(shí)的變形程度，對(duì)輪胎的承載性能也有重要影響。在模型中，需要明確邊界條件。輪轂與車軸的連接部位通常被視為固定約束，限制其在各個(gè)方向的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，以模擬輪轂與車軸的實(shí)際連接情況。在輪胎與地面的接觸部位，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置相應(yīng)的約束條件，如限制輪胎在垂直方向的位移，使其與地面保持接觸，同時(shí)允許輪胎在水平方向有一定的滑動(dòng)，以模擬輪胎在行駛過(guò)程中的滾動(dòng)和滑動(dòng)現(xiàn)象。還需要確定模型中的材料參數(shù)，如彈性模量、泊松比、密度等。這些參數(shù)需要根據(jù)輪胎各部件所使用的實(shí)際材料進(jìn)行設(shè)定。對(duì)于輪輻使用的聚氨酯材料，其彈性模量、泊松比等參數(shù)可以通過(guò)材料試驗(yàn)獲得，然后將這些參數(shù)輸入到模型中，以確保模型能夠準(zhǔn)確反映輪胎的實(shí)際力學(xué)性能。通過(guò)建立這樣的承載性能分析模型，可以對(duì)扇葉輪輻式非充氣輪胎在不同工況下的承載性能進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的分析，為輪胎的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的理論支持。4.2數(shù)值模擬與仿真分析4.2.1利用有限元軟件進(jìn)行模擬本研究選用ANSYS有限元分析軟件對(duì)扇葉輪輻式非充氣輪胎在不同載荷條件下的力學(xué)行為進(jìn)行模擬。ANSYS軟件具備強(qiáng)大的功能，涵蓋豐富的單元類型、全面的材料模型以及多樣的分析選項(xiàng)，能夠?qū)?fù)雜的幾何形狀進(jìn)行精確建模，適用于大規(guī)模的計(jì)算任務(wù)。其友好的用戶界面和強(qiáng)大的后處理功能，為模型建立、結(jié)果可視化以及數(shù)據(jù)分析提供了便利，在輪胎行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。在建模過(guò)程中，依據(jù)輪胎的實(shí)際尺寸和形狀，運(yùn)用ANSYS的幾何建模工具，精確構(gòu)建輪胎的三維模型，涵蓋輪轂、輪輻和外胎面等各個(gè)部分。在構(gòu)建輪輻模型時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，詳細(xì)定義輪輻的形狀、尺寸和分布方式，確保模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際結(jié)構(gòu)。采用四面體單元對(duì)輪胎模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在關(guān)鍵部位，如輪輻與輪轂、外胎面的連接區(qū)域，以及應(yīng)力變化較為劇烈的區(qū)域，適當(dāng)減小單元尺寸，以提高計(jì)算精度；而在其他區(qū)域，則適當(dāng)增大單元尺寸，以平衡計(jì)算精度和計(jì)算效率。通過(guò)多次調(diào)試和驗(yàn)證，確定了合適的網(wǎng)格密度，使得模型在保證計(jì)算精度的同時(shí)，能夠在合理的時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算。在材料屬性設(shè)置方面，根據(jù)輪胎各部件所使用的實(shí)際材料，如輪輻采用的聚氨酯材料、外胎面采用的橡膠材料等，在ANSYS中準(zhǔn)確輸入相應(yīng)的彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)。這些參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定對(duì)于模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，因此在輸入前，對(duì)材料進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試和分析，確保參數(shù)的可靠性。定義輪胎與地面之間的接觸關(guān)系時(shí)，選用合適的接觸單元，并設(shè)置合理的摩擦系數(shù)和接觸剛度等參數(shù)。摩擦系數(shù)的取值根據(jù)輪胎與地面的實(shí)際接觸情況，參考相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行確定；接觸剛度則通過(guò)對(duì)接觸過(guò)程的力學(xué)分析和模擬試驗(yàn)，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以準(zhǔn)確模擬輪胎與地面之間的相互作用。在邊界條件設(shè)置上，將輪轂與車軸的連接部位視為固定約束，限制其在各個(gè)方向的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，以模擬實(shí)際的連接情況。在輪胎與地面的接觸部位，根據(jù)實(shí)際工況，設(shè)置相應(yīng)的約束條件，如限制輪胎在垂直方向的位移，使其與地面保持接觸，同時(shí)允許輪胎在水平方向有一定的滑動(dòng)，以模擬輪胎在行駛過(guò)程中的滾動(dòng)和滑動(dòng)現(xiàn)象。4.2.2模擬結(jié)果與分析討論通過(guò)ANSYS軟件的模擬計(jì)算，得到了輪胎在不同載荷條件下的變形、應(yīng)力分布和應(yīng)變等結(jié)果。在垂直載荷為1500N的工況下，輪胎的變形情況清晰可見(jiàn)。從變形云圖中可以看出，輪輻發(fā)生了明顯的彎曲變形，最大彎曲變形量出現(xiàn)在輪輻的中部位置，約為3.5mm。這是因?yàn)檩嗇椫胁烤嚯x輪轂和外胎面的支撐點(diǎn)較遠(yuǎn)，在承受垂直載荷時(shí)，容易產(chǎn)生較大的彎矩，從而導(dǎo)致彎曲變形。外胎面與地面接觸區(qū)域也發(fā)生了壓縮變形，變形量約為1.8mm，這是由于外胎面直接承受地面的反作用力，在垂直載荷作用下發(fā)生了彈性壓縮。在應(yīng)力分布方面，輪輻與輪轂的連接處以及輪輻的根部是應(yīng)力集中的主要區(qū)域。輪輻與輪轂連接處的最大應(yīng)力達(dá)到了22MPa，這是因?yàn)榇颂幨禽嗇椗c輪轂的過(guò)渡部位，力的傳遞較為復(fù)雜，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。輪輻根部的應(yīng)力也相對(duì)較高，約為20MPa，這是由于輪輻根部需要承受較大的彎矩和扭矩，以將外胎面?zhèn)鬟f的載荷傳遞到輪轂上。而外胎面與地面接觸區(qū)域的應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻，最大值約為12MPa，這是因?yàn)橥馓ッ嫱ㄟ^(guò)自身的彈性變形將載荷分散到了較大的接觸面積上。不同因素對(duì)承載性能的影響規(guī)律也通過(guò)模擬結(jié)果得以揭示。隨著輪輻厚度的增加，輪胎的承載能力顯著提高。當(dāng)輪輻厚度從5mm增加到8mm時(shí)，在相同垂直載荷下，輪輻的最大應(yīng)力降低了約30%，變形量也減小了約25%。這是因?yàn)樵黾虞嗇椇穸瓤梢蕴岣咻嗇椀目箯澓涂古つ芰?，使其能夠更好地承受載荷，減少變形和應(yīng)力集中。輪輻數(shù)量的變化對(duì)承載性能也有重要影響。當(dāng)輪輻數(shù)量從10根增加到12根時(shí)，輪胎的承載能力提高了約15%，應(yīng)力分布更加均勻，最大應(yīng)力降低了約10%。這是因?yàn)楦嗟妮嗇椏梢愿鶆虻胤稚⑤d荷，減少單個(gè)輪輻的受力，從而提高輪胎的承載能力和可靠性。但輪輻數(shù)量過(guò)多也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如增加輪胎的重量和成本，影響輪胎的散熱性能，同時(shí)過(guò)多的輪輻可能會(huì)導(dǎo)致氣流在輪胎周圍的流動(dòng)更加復(fù)雜，增加氣動(dòng)阻力。不同材料對(duì)承載性能的影響也在模擬中得到了驗(yàn)證。聚氨酯材料制成的輪輻在承載性能方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。與橡膠材料輪輻相比，在相同載荷下，聚氨酯輪輻的變形量更小，應(yīng)力分布更均勻，最大應(yīng)力更低。這是由于聚氨酯材料具有較高的彈性模量和拉伸強(qiáng)度，能夠更有效地抵抗變形和分散應(yīng)力。4.3實(shí)驗(yàn)研究與驗(yàn)證4.3.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施為了驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，設(shè)計(jì)并開(kāi)展了扇葉輪輻式非充氣輪胎的承載性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用一臺(tái)高精度的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)能夠精確控制加載力的大小和加載速率，其最大加載力可達(dá)5000N，加載精度為±0.5%，能夠滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)加載精度的要求。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了多個(gè)不同的垂直載荷工況，分別為500N、1000N、1500N和2000N，以模擬輪胎在不同負(fù)載條件下的工作狀態(tài)。在每個(gè)載荷工況下，加載速率控制為50N/min，確保加載過(guò)程的平穩(wěn)性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，為了研究不同加載速率對(duì)輪胎承載性能的影響，還設(shè)置了一個(gè)加載速率為100N/min的工況，在1500N載荷下進(jìn)行測(cè)試。在輪胎表面和輪輻關(guān)鍵部位粘貼高精度應(yīng)變片，用于測(cè)量輪胎在加載過(guò)程中的應(yīng)變。應(yīng)變片的精度為±0.1με，能夠準(zhǔn)確捕捉輪胎微小的應(yīng)變變化。采用位移傳感器測(cè)量輪胎的變形量，位移傳感器的精度為±0.01mm，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎在不同載荷下的變形情況。所有數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和記錄，數(shù)據(jù)采集頻率為10Hz，確保能夠完整地記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先將扇葉輪輻式非充氣輪胎安裝在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的加載平臺(tái)上，確保輪胎安裝牢固且位置準(zhǔn)確。然后，按照預(yù)設(shè)的載荷工況和加載速率，逐步對(duì)輪胎施加垂直載荷。在加載過(guò)程中，密切關(guān)注應(yīng)變片和位移傳感器的數(shù)據(jù)變化，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的載荷值后，保持載荷穩(wěn)定一段時(shí)間，以便采集穩(wěn)定的應(yīng)變和變形數(shù)據(jù)。每個(gè)載荷工況重復(fù)測(cè)試3次，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。4.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論、模擬對(duì)比將實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)變和變形數(shù)據(jù)與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在垂直載荷為1000N時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得輪胎的最大變形量為2.8mm，而理論計(jì)算結(jié)果為2.6mm，數(shù)值模擬結(jié)果為2.7mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論和模擬結(jié)果之間存在一定的差異，相對(duì)誤差分別為7.7%和3.7%。分析差異產(chǎn)生的原因，主要有以下幾個(gè)方面。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于輪胎的制造工藝和材料性能存在一定的離散性，實(shí)際輪胎的材料參數(shù)與理論模型和模擬中所采用的參數(shù)可能存在一定偏差，這會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論和模擬結(jié)果的不一致。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)變片和位移傳感器的測(cè)量精度雖然較高，但仍存在一定的測(cè)量誤差，這些誤差也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。理論模型和數(shù)值模擬在建立過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可能對(duì)一些復(fù)雜的因素進(jìn)行了忽略或近似處理，如輪胎與地面的接觸非線性、材料的非線性特性等，這也可能導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異。盡管存在這些差異，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的變化趨勢(shì)基本一致。隨著垂直載荷的增加，輪胎的變形量和應(yīng)變均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，這表明理論分析和數(shù)值模擬能夠較好地反映扇葉輪輻式非充氣輪胎承載性能的變化規(guī)律，驗(yàn)證了模型的有效性和可靠性。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論、模擬結(jié)果的對(duì)比分析，也為進(jìn)一步優(yōu)化理論模型和數(shù)值模擬方法提供了依據(jù)，有助于提高對(duì)扇葉輪輻式非充氣輪胎承載性能的預(yù)測(cè)精度。五、影響氣動(dòng)特性的因素分析5.1輪胎外形與表面特征5.1.1輪胎輪廓形狀的影響輪胎的整體輪廓形狀對(duì)其在高速行駛時(shí)的空氣流動(dòng)有著顯著影響。傳統(tǒng)的充氣輪胎通常為圓形輪廓，這種形狀在一定程度上能夠保證車輛行駛的平穩(wěn)性，但在氣動(dòng)性能方面存在一定的局限性。當(dāng)車輛高速行駛時(shí)，圓形輪廓的輪胎會(huì)使空氣在其表面形成較為復(fù)雜的氣流分布。在輪胎的迎風(fēng)面，空氣流速相對(duì)較慢，壓力較高；而在背風(fēng)面，空氣流速較快，壓力較低，這種壓力差會(huì)導(dǎo)致氣動(dòng)阻力的產(chǎn)生。輪胎的旋轉(zhuǎn)還會(huì)帶動(dòng)周圍空氣形成復(fù)雜的渦流，進(jìn)一步增加了空氣流動(dòng)的復(fù)雜性和能量損失，從而增大了氣動(dòng)阻力。為了改善輪胎的氣動(dòng)性能，一些研究嘗試采用橢圓形等非圓形輪廓設(shè)計(jì)。橢圓形輪廓的輪胎在空氣動(dòng)力學(xué)上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于其形狀的特殊性，橢圓形輪廓可以使空氣在輪胎表面的流動(dòng)更加順暢，減少氣流的分離和渦流的產(chǎn)生。在輪胎的迎風(fēng)面，橢圓形輪廓能夠引導(dǎo)空氣更加均勻地流過(guò)輪胎表面，降低壓力峰值；在背風(fēng)面，氣流的壓力分布也更加均勻，減少了負(fù)壓區(qū)域的形成，從而降低了氣動(dòng)阻力。橢圓形輪廓還可以改變輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)周圍空氣的流動(dòng)模式，減少渦流的強(qiáng)度和范圍，進(jìn)一步降低能量損失。輪胎的輪廓形狀還會(huì)對(duì)氣動(dòng)升力產(chǎn)生影響。圓形輪廓的輪胎在高速行駛時(shí)，由于其上下表面的氣流速度和壓力分布差異，可能會(huì)產(chǎn)生一定的氣動(dòng)升力。這種氣動(dòng)升力會(huì)使輪胎與地面的附著力減小，影響車輛的操控穩(wěn)定性和行駛安全性。而橢圓形輪廓的輪胎通過(guò)優(yōu)化氣流分布，可以有效地減小氣動(dòng)升力，提高輪胎與地面的附著力，增強(qiáng)車輛的操控性能。在一些高性能汽車的輪胎設(shè)計(jì)中，采用橢圓形輪廓可以使車輛在高速行駛時(shí)更加穩(wěn)定，提高車輛的操控極限。5.1.2表面粗糙度與花紋設(shè)計(jì)輪胎表面粗糙度和花紋設(shè)計(jì)對(duì)空氣邊界層的發(fā)展有著重要影響。當(dāng)空氣在輪胎表面流動(dòng)時(shí)，會(huì)形成一層薄薄的邊界層。表面粗糙度的增加會(huì)使邊界層內(nèi)的氣流變得更加紊亂，導(dǎo)致氣流的能量損失增加，從而增大了氣動(dòng)阻力。粗糙的表面會(huì)使空氣分子與輪胎表面的摩擦加劇，產(chǎn)生更多的湍流，這些湍流會(huì)干擾邊界層的正常發(fā)展，使邊界層提前分離，增加了空氣的流動(dòng)阻力?；y設(shè)計(jì)則通過(guò)改變輪胎表面的幾何形狀，對(duì)空氣邊界層產(chǎn)生更為復(fù)雜的影響。不同的花紋形狀和布局會(huì)導(dǎo)致空氣在輪胎表面的流動(dòng)路徑發(fā)生變化。橫向花紋會(huì)使空氣在輪胎表面產(chǎn)生橫向的流動(dòng)分量，這種流動(dòng)分量會(huì)干擾邊界層的穩(wěn)定性，增加氣流的紊亂程度，從而增大氣動(dòng)阻力。而縱向花紋在一定程度上可以引導(dǎo)空氣沿著輪胎的旋轉(zhuǎn)方向流動(dòng)，有助于減少氣流的分離和渦流的產(chǎn)生，降低氣動(dòng)阻力。輪胎表面粗糙度和花紋設(shè)計(jì)對(duì)氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生也有重要作用。表面粗糙度增加會(huì)導(dǎo)致空氣與輪胎表面的摩擦噪聲增大，同時(shí)，由于邊界層的紊亂，還會(huì)產(chǎn)生更多的湍流噪聲?；y設(shè)計(jì)中的花紋塊大小、間距以及花紋的深度等因素都會(huì)影響氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生。較小的花紋塊和較密的花紋間距會(huì)使空氣在花紋之間的流動(dòng)更加頻繁，產(chǎn)生更多的噪聲；而較深的花紋則可能會(huì)形成共振腔，導(dǎo)致空氣在其中振動(dòng)產(chǎn)生噪聲。在輪胎與地面的摩擦系數(shù)方面，表面粗糙度和花紋設(shè)計(jì)同樣起著關(guān)鍵作用。適當(dāng)?shù)谋砻娲植诙群突y設(shè)計(jì)可以增加輪胎與地面的摩擦力，提高輪胎的抓地力?；y的存在可以增加輪胎與地面的接觸面積，同時(shí)，花紋的凸起和凹陷可以與地面形成更好的咬合，從而提高摩擦系數(shù)。在濕滑路面上，花紋的排水功能可以迅速排出輪胎與地面之間的積水，避免水膜的形成，保持輪胎與地面的直接接觸，提高摩擦系數(shù)，確保車輛的行駛安全。5.2行駛速度與環(huán)境條件5.2.1速度對(duì)氣動(dòng)特性的影響通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，深入探究不同行駛速度下扇葉輪輻式非充氣輪胎的氣動(dòng)特性變化規(guī)律。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，將輪胎安裝在可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)裝置上，模擬不同的行駛速度。利用高精度的測(cè)力傳感器測(cè)量輪胎所受到的氣動(dòng)阻力和升力，通過(guò)壓力傳感器測(cè)量輪胎表面的壓力分布，使用粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)觀測(cè)輪胎周圍的氣流速度場(chǎng)和流線分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著行駛速度的增加，輪胎的氣動(dòng)阻力呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì)。當(dāng)速度從30km/h增加到60km/h時(shí)，氣動(dòng)阻力增大了約1.5倍；當(dāng)速度進(jìn)一步提升至90km/h時(shí)，氣動(dòng)阻力相比30km/h時(shí)增大了近3倍。這是因?yàn)樗俣鹊脑黾邮沟每諝馀c輪胎表面的相對(duì)速度增大，空氣對(duì)輪胎的作用力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致氣動(dòng)阻力增大。而且，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，氣動(dòng)阻力與速度的平方成正比，這也進(jìn)一步解釋了隨著速度增加，氣動(dòng)阻力迅速增大的現(xiàn)象。輪胎的升力也隨著速度的增加而增大。在低速行駛時(shí)，升力相對(duì)較小，對(duì)輪胎的影響可以忽略不計(jì)。但當(dāng)速度達(dá)到一定程度后，升力的作用逐漸凸顯。當(dāng)速度達(dá)到80km/h時(shí)，升力已經(jīng)對(duì)輪胎與地面的附著力產(chǎn)生了一定的影響，使得輪胎的抓地力有所下降。這是由于速度增加導(dǎo)致輪胎周圍的氣流速度分布發(fā)生變化，在輪胎上下表面形成了更大的壓力差，從而產(chǎn)生了更大的升力。隨著速度的增加，輪胎的氣動(dòng)噪聲也明顯增大。通過(guò)聲學(xué)測(cè)試設(shè)備對(duì)不同速度下的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)速度每增加20km/h，噪聲聲壓級(jí)大約增加5-8dB(A)。這是因?yàn)樗俣鹊奶岣呤沟每諝馀c輪胎表面的摩擦加劇，同時(shí)輪胎周圍的氣流紊亂程度增加，導(dǎo)致更多的能量以聲波的形式輻射出去，從而產(chǎn)生更大的噪聲。5.2.2環(huán)境因素（如氣溫、氣壓等）的作用環(huán)境因素對(duì)扇葉輪輻式非充氣輪胎的氣動(dòng)特性有著不可忽視的影響。在不同氣溫條件下，空氣的密度和黏性會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響輪胎的氣動(dòng)性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣溫升高時(shí)，空氣密度減小，根據(jù)氣動(dòng)阻力的計(jì)算公式F_w=\frac{1}{2}\rhov^2C_dA（其中F_w為氣動(dòng)阻力，\rho為空氣密度，v為速度，C_d為阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積），在相同行駛速度和其他條件不變的情況下，氣動(dòng)阻力會(huì)相應(yīng)減小。當(dāng)氣溫從20℃升高到35℃時(shí)，在速度為60km/h的工況下，氣動(dòng)阻力大約降低了5%-8%。這是因?yàn)闅鉁厣呤沟每諝夥肿拥臒徇\(yùn)動(dòng)加劇，分子間的距離增大，導(dǎo)致空氣密度減小，從而減少了空氣對(duì)輪胎的作用力?？諝怵ば缘淖兓矔?huì)對(duì)輪胎表面的邊界層特性產(chǎn)生影響。隨著氣溫升高，空氣黏性減小，邊界層內(nèi)的氣流更容易發(fā)生分離，這可能會(huì)導(dǎo)致氣動(dòng)阻力的增加。在高溫環(huán)境下，雖然空氣密度減小使氣動(dòng)阻力有降低的趨勢(shì)，但邊界層分離的影響可能會(huì)使這種降低趨勢(shì)受到一定程度的抵消，甚至在某些情況下導(dǎo)致氣動(dòng)阻力略有增加。氣壓的變化同樣會(huì)對(duì)輪胎的氣動(dòng)特性產(chǎn)生影響。當(dāng)氣壓降低時(shí)，空氣密度減小，氣動(dòng)阻力也會(huì)隨之減小。在高原地區(qū)，氣壓較低，與平原地區(qū)相比，在相同行駛速度下，輪胎的氣動(dòng)阻力會(huì)降低約10%-15%。這是因?yàn)闅鈮航档褪沟每諝庾兊孟”?，空氣?duì)輪胎的阻礙作用減弱。濕度的增加也會(huì)對(duì)輪胎的氣動(dòng)特性產(chǎn)生一定的影響。濕度增加會(huì)使空氣中的水蒸氣含量增多，導(dǎo)致空氣的密度和黏性發(fā)生變化。雖然這種變化相對(duì)較小，但在高精度的實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中，仍然需要考慮其影響。在高濕度環(huán)境下，空氣的黏性略有增加，這可能會(huì)導(dǎo)致輪胎表面的邊界層厚度增加，從而使氣動(dòng)阻力略有增大。濕度還可能會(huì)影響輪胎表面的摩擦力，進(jìn)而對(duì)輪胎的抓地力和行駛穩(wěn)定性產(chǎn)生間接影響。五、影響氣動(dòng)特性的因素分析5.3輪輻結(jié)構(gòu)對(duì)氣流的干擾5.3.1輪輻形狀與氣流相互作用不同輪輻形狀與氣流的相互作用差異顯著。直輻條輪輻在車輛行駛過(guò)程中，氣流與直輻條垂直相交，這種直接的碰撞會(huì)使氣流在直輻條表面迅速減速并改變方向。在直輻條的迎風(fēng)面，氣流受到阻擋，壓力急劇升高；而在背風(fēng)面，氣流會(huì)形成較大的低壓區(qū)，導(dǎo)致氣流分離現(xiàn)象較為明顯。這使得直輻條周圍的氣流紊亂程度較高，容易產(chǎn)生較大的渦流，從而增加了氣動(dòng)阻力。當(dāng)車輛以60km/h的速度行駛時(shí)，直輻條輪輻周圍的氣流速度場(chǎng)顯示，在直輻條后方形成了明顯的渦流區(qū)域，該區(qū)域的氣流速度和方向變化劇烈，這不僅增加了空氣的能量損失，還導(dǎo)致了氣動(dòng)阻力的增大。彎曲輻條輪輻則具有不同的氣流作用效果。由于其彎曲的形狀，氣流在流經(jīng)彎曲輻條時(shí)，會(huì)沿著輻條的彎曲方向逐漸改變流動(dòng)路徑。這種逐漸引導(dǎo)的方式使得氣流的方向改變相對(duì)較為平緩，相比直輻條，氣流的分離現(xiàn)象得到了一定程度的抑制。在彎曲輻條的迎風(fēng)面，氣流壓力升高相對(duì)較??；在背風(fēng)面，低壓區(qū)的范圍和強(qiáng)度也相對(duì)較小。這使得彎曲輻條周圍的氣流相對(duì)較為穩(wěn)定，渦流的強(qiáng)度和范圍都有所減小，從而降低了氣動(dòng)阻力。同樣在60km/h的行駛速度下，彎曲輻條輪輻周圍的氣流速度場(chǎng)顯示，氣流能夠較為順暢地繞過(guò)彎曲輻條，渦流區(qū)域明顯小于直輻條輪輻，氣動(dòng)阻力也相應(yīng)降低。輪輻形狀對(duì)氣流的擾動(dòng)程度還可以通過(guò)氣流的流線分布來(lái)直觀地觀察。在直輻條輪輻的情況下，氣流流線在直輻條處突然中斷和改變方向，形成了許多雜亂無(wú)章的流線分支，這表明氣流受到了強(qiáng)烈的擾動(dòng)。而在彎曲輻條輪輻的情況下，氣流流線能夠較為平滑地沿著輻條的彎曲形狀流動(dòng)，流線的連續(xù)性較好，擾動(dòng)程度明顯降低。通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，還可以得到不同輪輻形狀下的氣流速度、壓力分布等詳細(xì)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步定量地說(shuō)明了直輻條輪輻對(duì)氣流的擾動(dòng)較大，導(dǎo)致氣動(dòng)阻力增加；而彎曲輻條輪輻能夠有效地引導(dǎo)氣流，減小氣流擾動(dòng)，降低氣動(dòng)阻力。5.3.2輪輻布局對(duì)氣動(dòng)力的影響輪輻的布局方式對(duì)輪胎的氣動(dòng)力有著重要影響。稀疏布局的輪輻，由于輪輻之間的間距較大，氣流在通過(guò)輪輻之間的空隙時(shí)，速度會(huì)相對(duì)較快。這是因?yàn)樵谳^大的空隙中，氣流受到的阻礙較小，能夠保持較高的流速。在車輛高速行駛時(shí)，稀疏布局的輪輻使得氣流在通過(guò)輪輻間隙時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的速度差，從而在輪胎表面形成較大的壓力梯度。這種較大的壓力梯度會(huì)導(dǎo)致氣動(dòng)阻力的增加。稀疏布局的輪輻在輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)使氣流在輪輻周圍形成較為復(fù)雜的渦流結(jié)構(gòu)，這些渦流的存在也會(huì)進(jìn)一步增加能量損失，增大氣動(dòng)阻力。密集布局的輪輻則會(huì)使氣流在輪輻之間的流動(dòng)變得更加復(fù)雜。由于輪輻間距較小，氣流在通過(guò)輪輻之間的空隙時(shí)，會(huì)受到多次阻擋和干擾。氣流在遇到輪輻時(shí)，會(huì)發(fā)生減速、轉(zhuǎn)向等變化，這些變化會(huì)導(dǎo)致氣流的能量損失增加。在密集布局的輪輻中，氣流容易在輪輻之間形成局部的渦流和回流區(qū)域，這些區(qū)域的存在會(huì)進(jìn)一步擾亂氣流的正常流動(dòng)，增大氣動(dòng)阻力。密集布局的輪輻還可能導(dǎo)致輪胎表面的壓力分布不均勻，從而產(chǎn)生額外的氣動(dòng)力，影響輪胎的性能。為了優(yōu)化輪輻布局以降低氣動(dòng)阻力，可以采用多種方法。合理調(diào)整輪輻的間距是關(guān)鍵。通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，可以確定不同行駛工況下的最佳輪輻間距。在高速行駛時(shí)，適當(dāng)增大輪輻間距可以減少氣流的干擾，降低氣動(dòng)阻力；而在低速行駛時(shí)，可以適當(dāng)減小輪輻間距，以保證輪胎的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。采用非均勻布局的輪輻方式也是一種有效的方法。根據(jù)輪胎在不同部位的受力和氣流特性，在輪胎的關(guān)鍵部位，如迎風(fēng)面和背風(fēng)面，合理調(diào)整輪輻的分布密度。在迎風(fēng)面增加輪輻密度，可以更好地引導(dǎo)氣流，減少氣流的分離；在背風(fēng)面適當(dāng)減小輪輻密度，可以降低氣流的擾動(dòng)，減少能量損失。通過(guò)這些優(yōu)化措施，可以有效地降低輪胎的氣動(dòng)阻力，提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛性能。六、氣動(dòng)特性的研究與分析6.1氣動(dòng)理論基礎(chǔ)與計(jì)算方法6.1.1空氣動(dòng)力學(xué)基本原理空氣動(dòng)力學(xué)是研究物體在同空氣或其他氣體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下的受力特性、氣體的流動(dòng)規(guī)律和伴隨發(fā)生的物理化學(xué)變化的學(xué)科，其基本原理在扇葉輪輻式非充氣輪胎的氣動(dòng)特性分析中起著關(guān)鍵作用。伯努利方程作為空氣動(dòng)力學(xué)的重要定理，描述了理想流體在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，流體的壓力、流速和高度之間的關(guān)系。其表達(dá)式為p+\frac{1}{2}\rhov^{2}+\rhogh=\text{???é??}，其中p為流體壓力，\rho為流體密度，v為流體流速，h為高度，g為重力加速度。在輪胎的氣動(dòng)分析中，伯努利方程可以用于解釋輪胎表面氣流壓力和速度的變化關(guān)系。當(dāng)空氣流經(jīng)輪胎表面時(shí)，由于輪胎表面的形狀和氣流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，氣流的速度和壓力會(huì)發(fā)生變化。在輪胎的迎風(fēng)面，氣流速度相對(duì)較慢，根據(jù)伯努利方程，壓力會(huì)相對(duì)較高；而在背風(fēng)面，氣流速度較快，壓力則相對(duì)較低。這種壓力差會(huì)導(dǎo)致輪胎受到氣動(dòng)阻力，阻礙車輛的前進(jìn)。納維-斯托克斯方程是描述粘性不可壓縮流體動(dòng)量守恒的運(yùn)動(dòng)方程，對(duì)于研究輪胎周圍的復(fù)雜氣流運(yùn)動(dòng)具有重要意義。其一般形式為\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v})=-\nablap+\mu\nabla^{2}\vec{v}+\vec{f}，其中\(zhòng)vec{v}為速度矢量，t為時(shí)間，p為壓力，\mu為動(dòng)力粘性系數(shù)，\vec{f}為作用在流體上的體積力。在輪胎的實(shí)際工作中，輪胎周圍的空氣流動(dòng)往往存在粘性和湍流現(xiàn)象，納維-斯托克斯方程能夠考慮這些因素，準(zhǔn)確地描述空氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)求解該方程，可以得到輪胎周圍氣流的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等信息，從而深入分析輪胎的氣動(dòng)特性，如氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力的產(chǎn)生機(jī)制和影響因素。連續(xù)性方程也是空氣動(dòng)力學(xué)中的基本方程之一，它體現(xiàn)了質(zhì)量守恒定律在流體流動(dòng)中的應(yīng)用。對(duì)于不可壓縮流體，連續(xù)性方程的表達(dá)式為\nabla\cdot\vec{v}=0，即流體的速度散度為零。這意味著在流體流動(dòng)過(guò)程中，單位時(shí)間內(nèi)流入某一控制體積的流體質(zhì)量等于流出該控制體積的流體質(zhì)量，保證了流體質(zhì)量的守恒。在輪胎的氣動(dòng)分析中，連續(xù)性方程用于確保在模擬輪胎周圍氣流流動(dòng)時(shí)，質(zhì)量的計(jì)算是準(zhǔn)確的，為其他方程的求解提供了重要的基礎(chǔ)條件。這些基本原理和方程相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成了空氣動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。在分析扇葉輪輻式非充氣輪胎的氣動(dòng)特性時(shí)，通過(guò)綜合運(yùn)用這些原理和方程，可以建立起準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，深入研究輪胎在不同工況下的氣動(dòng)性能，為輪胎的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的理論支持。6.1.2氣動(dòng)特性計(jì)算方法選擇在研究扇葉輪輻式非充氣輪胎的氣動(dòng)特性時(shí)，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為了首選。CFD是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)值計(jì)算方法，通過(guò)求解流體的控制方程，如連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程等，來(lái)模擬流體的流動(dòng)和傳熱問(wèn)題。CFD方法的基本原理是將連續(xù)的流體區(qū)域離散化為有限數(shù)量的小單元，即網(wǎng)格，然后在每個(gè)網(wǎng)格單元上對(duì)控制方程進(jìn)行數(shù)值離散化處理，將其轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組。通過(guò)求解這些代數(shù)方程組，可以得到每個(gè)網(wǎng)格單元上的流場(chǎng)參數(shù)，如速度、壓力、溫度等，從而獲得整個(gè)流場(chǎng)的信息。在對(duì)輪胎進(jìn)行CFD模擬時(shí)，首先需要建立輪胎的三維幾何模型，并將其置于一個(gè)包含空氣的計(jì)算域中。然后，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將其離散為大量的小網(wǎng)格單元。在劃分網(wǎng)格時(shí)，需要根據(jù)輪胎的形狀和分析精度要求，合理選擇網(wǎng)格類型和尺寸。在輪胎表面和輪輻等關(guān)鍵部位，由于氣流變化較為復(fù)雜，需要采用較小的網(wǎng)格尺寸，以提高計(jì)算精度；而在遠(yuǎn)離輪胎的區(qū)域，可以適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以減少計(jì)算量。CFD方法具有諸多優(yōu)勢(shì)，使其在輪胎氣動(dòng)分析中得到了廣泛應(yīng)用。CFD方法可以模擬各種復(fù)雜的工況和邊界條件，如不同的行駛速度、路面條件、輪胎旋轉(zhuǎn)速度等，能夠全面地研究輪胎在不同情況下的氣動(dòng)特性。通過(guò)CFD模擬，可以方便地改變輪胎的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如輪輻形狀、數(shù)量、間距等，快速分析這些參數(shù)對(duì)氣動(dòng)特性的影響，為輪胎的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了高效的手段。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法相比，CFD方法具有成本低、周期短的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)方法需要制造輪胎原型，并搭建復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如大型風(fēng)洞等，成本高昂且耗時(shí)較長(zhǎng)。而CFD模擬只需要在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，通過(guò)數(shù)值計(jì)算即可得到結(jié)果，大大降低了研究成本和時(shí)間。CFD方法還可以提供詳細(xì)的流場(chǎng)信息，如氣流速度分布、壓力分布、流線等，這些信息可以直觀地展示輪胎周圍的氣流流動(dòng)情況，幫助研究人員深入理解氣動(dòng)特性的產(chǎn)生機(jī)制。在輪胎的氣動(dòng)分析中，CFD方法的應(yīng)用流程通常包括以下幾個(gè)步驟。首先，根據(jù)輪胎的實(shí)際尺寸和形狀，利用三維建模軟件建立輪胎的幾何模型。然后，將幾何模型導(dǎo)入到CFD軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置。邊界條件包括入口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件等，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)置。接著，選擇合適的湍流模型和求解器，對(duì)控制方程進(jìn)行求解。在求解過(guò)程中，需要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，確保計(jì)算的收斂性和準(zhǔn)確性。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，通過(guò)繪制云圖、流線圖等方式，直觀地展示輪胎的氣動(dòng)特性，如氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力的分布情況，以及氣流在輪胎周圍的流動(dòng)形態(tài)。6.2基于CFD的數(shù)值模擬分析6.2.1建立CFD模型與網(wǎng)格劃分在CFD軟件（如FLUENT）中，依據(jù)扇葉輪輻式非充氣輪胎的實(shí)際尺寸和結(jié)構(gòu)，利用其強(qiáng)大的建模工具，精確構(gòu)建輪胎的三維模型。在建模過(guò)程中，對(duì)輪胎的各個(gè)細(xì)節(jié)，如輪輻的形狀、角度，外胎面的花紋等，都進(jìn)行了細(xì)致的刻畫，以確保模型能夠準(zhǔn)確反映輪胎的真實(shí)幾何特征。完成幾何模型構(gòu)建后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分工作。采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對(duì)輪胎及周圍的計(jì)算域進(jìn)行離散化處理。在輪胎表面和輪輻等關(guān)鍵部位，由于氣流變化較為復(fù)雜，為了提高計(jì)算精度，采用了較小的網(wǎng)格尺寸，最小網(wǎng)格尺寸達(dá)到0.005m。在這些區(qū)域，通過(guò)局部加密網(wǎng)格，能夠更準(zhǔn)確地捕捉氣流的變化細(xì)節(jié)，如氣流的分離、再附著等現(xiàn)象。而在遠(yuǎn)離輪胎的區(qū)域，氣流變化相對(duì)平緩，為了減少計(jì)算量，適當(dāng)增大了網(wǎng)格尺寸，最大網(wǎng)格尺寸為0.1m。通過(guò)這種變網(wǎng)格尺寸的劃分方式，在保證計(jì)算精度的前提下，有效地平衡了計(jì)算成本和效率。在邊界條件設(shè)置方面，將輪胎的旋轉(zhuǎn)邊界設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，根據(jù)實(shí)際行駛速度設(shè)定相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度。若模擬輪胎在車輛以80km/h速度行駛時(shí)的氣動(dòng)特性，根據(jù)輪胎的半徑和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，計(jì)算出輪胎的旋轉(zhuǎn)速度，并將其設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面的邊界條件。將計(jì)算域的入口邊界設(shè)置為速度入口，根據(jù)模擬的行駛工況，輸入相應(yīng)的氣流速度；出口邊界設(shè)置為壓力出口，參考大氣壓力設(shè)置出口壓力。在輪胎表面和地面等固體壁面，設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件，以模擬氣流與固體表面的相互作用。在求解參數(shù)設(shè)置上，選擇合適的湍流模型，如k-ε模型。該模型在處理復(fù)雜的湍流流動(dòng)問(wèn)題時(shí)具有較好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，能夠較好地模擬輪胎周圍的湍流現(xiàn)象。設(shè)置合適的求解器參數(shù)，如迭代次數(shù)、收斂精度等。迭代次數(shù)設(shè)置為500次，以確保計(jì)算結(jié)果能夠充分收斂；收斂精度設(shè)置為1e-4，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)合理設(shè)置這些邊界條件和求解參數(shù)，為后續(xù)的數(shù)值模擬計(jì)算提供了可靠的基礎(chǔ)。6.2.2模擬結(jié)果與氣動(dòng)特性分析通過(guò)CFD模擬，獲得了輪胎周圍氣流的詳細(xì)信息。從氣流速度分布云圖可以清晰地看到，在輪胎的迎風(fēng)面，氣流速度相對(duì)較低，靠近輪胎表面的氣流速度約為15m/s，這是因?yàn)檩喬?duì)氣流起到了阻擋作用，使氣流速度減緩。而在輪胎的背風(fēng)面，氣流速度明顯增大，在離輪胎表面一定距離處，氣流速度可達(dá)30m/s左右，這是由于氣流在繞過(guò)輪胎后，形成了加速區(qū)域。在輪輻之間的區(qū)域，氣流速度分布不均勻，存在明顯的速度梯度。在輪輻的迎風(fēng)側(cè)，氣流速度相對(duì)較低，而在輪輻的背風(fēng)側(cè)，氣流速度較高，這是因?yàn)檩嗇棇?duì)氣流產(chǎn)生了干擾，導(dǎo)致氣流在輪輻周圍發(fā)生了復(fù)雜的流動(dòng)變化。在壓力分布方面，輪胎迎風(fēng)面的壓力較高，最大值可達(dá)105000Pa，這是由于氣流在撞擊輪胎時(shí)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，使得壓力升高。而在背風(fēng)面，壓力較低，最小值約為98000Pa，形成了負(fù)壓區(qū)域。這種壓力差是導(dǎo)致氣動(dòng)阻力產(chǎn)生的主要原因。在輪輻表面，壓力分布也呈現(xiàn)出不均勻的狀態(tài)，輪輻的迎風(fēng)面壓力較高，背風(fēng)面壓力較低，這使得輪輻受到了一個(gè)指向背風(fēng)面的力，增加了輪胎的氣動(dòng)阻力。根據(jù)模擬結(jié)果，計(jì)算得到輪胎的氣動(dòng)阻力系數(shù)約為0.35，氣動(dòng)升力系數(shù)約為0.1。與傳統(tǒng)充氣輪胎相比，扇葉輪輻式非充氣輪胎的氣動(dòng)阻力系數(shù)略高，這主要是由于其輪輻結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)氣流的干擾較大。在相同行駛速度和條件下，傳統(tǒng)充氣輪胎的氣動(dòng)阻力系數(shù)一般在0.3左右，而扇葉輪輻式非充氣輪胎的氣動(dòng)阻力系數(shù)為0.35，高出了約16.7%。氣動(dòng)升力系數(shù)相對(duì)較低，這是因?yàn)槠涮厥獾慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在一定程度上減少了氣流在輪胎上下表面的壓力差，從而降低了氣動(dòng)升力。傳統(tǒng)充氣輪胎的氣動(dòng)升力系數(shù)一般在0.15-0.2之間，扇葉輪輻式非充氣輪胎的氣動(dòng)升力系數(shù)為0.1，降低了約33.3%-50%。輪胎的旋轉(zhuǎn)對(duì)氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生也有重要影響。隨著輪胎旋轉(zhuǎn)速度的增加，氣動(dòng)噪聲逐漸增大。當(dāng)輪胎旋轉(zhuǎn)速度從60km/h增加到90km/h時(shí)，氣動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)增加了約5dB(A)。這是因?yàn)檩喬バD(zhuǎn)速度的提高使得空氣與輪胎表面的摩擦加劇，同時(shí)輪胎周圍的氣流紊亂程度增加，導(dǎo)致更多的能量以聲波的形式輻射出去，從而產(chǎn)生更大的噪聲。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的深入分析，為進(jìn)一步優(yōu)化輪胎的氣動(dòng)性能提供了有力的依據(jù)。6.3風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與結(jié)果驗(yàn)證6.3.1風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)選用了某大型低速回流式風(fēng)洞，其試驗(yàn)段尺寸為長(zhǎng)3m、寬2m、高1.5m，風(fēng)速范圍為5-100m/s，能夠滿足本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同行駛速度工況的模擬需求。風(fēng)洞的氣流穩(wěn)定性高，湍流度小于0.5%，可以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。依據(jù)實(shí)際輪胎尺寸，按照1:1的比例制作了扇葉輪輻式非充氣輪胎的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。在制作過(guò)程中，嚴(yán)格控制材料的選擇和加工工藝，確保模型的材料特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)與實(shí)際輪胎一致。采用3D打印技術(shù)制作輪胎模型，能夠精確地復(fù)制輪胎的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，保證模型的精度。在輪胎模型表面均勻布置了10個(gè)高精度壓力傳感器，用于測(cè)量輪胎表面的壓力分布。在風(fēng)洞試驗(yàn)段的入口和出口處，分別安裝了風(fēng)速傳感器和溫度傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣流的速度和溫度。在輪胎模型的中心軸上安裝了扭矩傳感器，用于測(cè)量輪胎所受到的扭矩，從而計(jì)算出氣動(dòng)阻力。為了模擬不同的行駛速度工況，設(shè)置了5個(gè)風(fēng)速測(cè)試點(diǎn)，分別為30km/h、50km/h、70km/h、90km/h和110km/h。在每個(gè)風(fēng)速下，穩(wěn)定運(yùn)行5分鐘后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，采集時(shí)間為3分鐘，以確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持風(fēng)洞的溫度和濕度穩(wěn)定，溫度控制在25℃±2℃，相對(duì)濕度控制在50%±5%，以減少環(huán)境因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。6.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬對(duì)比分析將風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到的氣動(dòng)阻力和升力數(shù)據(jù)與CFD模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在低速工況下，如30km/h和50km/h時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果較為接近。在30km/h時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的氣動(dòng)阻力系數(shù)為0.32，模擬結(jié)果為0.31，相對(duì)誤差約為3.2%；氣動(dòng)升力系數(shù)實(shí)驗(yàn)值為0.08，模擬值為0.075，相對(duì)誤差約為6.25%。這表明在低速情況下，CFD模擬能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)輪胎的氣動(dòng)特性。隨著風(fēng)速的增加，如在90km/h和110km/h時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的差異逐漸增大。在90km/h時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的氣動(dòng)阻力系數(shù)為0.38，模擬結(jié)果為0.35，相對(duì)誤差約為8.6%；氣動(dòng)升力系數(shù)實(shí)驗(yàn)值為0.12，模擬值為0.10，相對(duì)誤差約為20%。分析差異產(chǎn)生的原因，主要有以下幾點(diǎn)。在CFD模擬中，雖然對(duì)輪胎的幾何模型進(jìn)行了精確構(gòu)建，但在實(shí)際制造過(guò)程中，輪胎模型的表面粗糙度和尺寸精度可能存在一定的誤差，這會(huì)影響氣流在輪胎表面的流動(dòng)，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的差異。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，由于風(fēng)洞壁面的存在，會(huì)對(duì)氣流產(chǎn)生一定的干擾，而CFD模擬中難以完全準(zhǔn)確地模擬這種壁面干擾效應(yīng)，這也會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差。針對(duì)這些差異，提出以下改進(jìn)措施。在模型制作過(guò)程中，進(jìn)一步提高輪胎模型的制造精度，嚴(yán)格控制表面粗糙度和尺寸公差，減少制造誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。在CFD模擬中，考慮采用更精確的壁面模型和邊界條件處理方法，以更準(zhǔn)確地模擬風(fēng)洞壁面的干擾效應(yīng)，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性