CN111008496B - 一种轮胎的三角胶芯结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轮胎三角胶芯的结构设计方法，以轮胎三角胶芯区域的最大主应变的最小值、最小主应变的最大值以及应变能密度变化云图等分析参数为基础，基于有限元分析，依据等距中分线法得到轮胎上三角胶芯和下三角胶芯的分界线，获得初步方案，然后依据插值及迭代优化思想对初步方案进行验证分析，得到最优的三角胶芯结构设计方案。基于本方案方法所设计的子午线轮胎的三角胶芯力学性能显著提高，能有效的提高轮胎的耐久性能，降低其应变能及行驶过程中的温度，并有效的防止轮胎三角胶芯由于生热所产生的脱层现象；该设计方法原理可靠，便于实施推广，可以有效的提高设计人员的结构设计效率，节省大量的人力物力，对轮胎结构性能的提高具有重要指导意义。

Description

一种轮胎的三角胶芯结构设计方法

技术领域

本发明属于轮胎结构技术领域，具体涉及一种轮胎的三角胶芯结构设计方法。

背景技术

随着汽车工业水平的迅速发展，汽车行业对轮胎力学性能以及品质的要求也越来越高。自子午线轮胎问世以来，由于其独特结构所带来的安全舒适性、耐磨性以及低滚动阻力等良好性能，现已成为轮胎产业的主流产品，与此同时，为了满足车辆不同的行驶路况，子午线轮胎的结构也逐渐变得更加复杂。

而在子午线轮胎的日常使用过程中，经常会出现各种胎侧裂口以及爆胎问题，圈部耐久、冠部耐久以及轮胎上三角胶芯和下三角胶芯的脱层问题。由于轮胎三角胶芯的下半部分下三角胶芯与胎体内侧直接接触，轮胎三角胶芯的变形直接关乎到胎体圈部耐久等问题。所以，如何通过完善子午线轮胎三角胶芯结构，从而改善轮胎上三角胶芯和下三角胶芯脱层问题，延长轮胎使用寿命，提高子午线轮胎的舒适性、操控性、安全性等性能都显得至关重要，而且，轮胎的三角胶芯上下三角胶芯的材质、形状以及结构优越性对轮胎稳定性以及脱空和爆胎都会有一定的影响。

在现有轮胎结构设计过程中，虽然关于轮胎三角胶芯的结构设计方案有很多，但是鲜有从某一机理上或者原理上设计子午线轮胎的上下三角胶芯结构。轮胎结构设计人员一般都是根据设计需求结合自身经验完成新方案设计，设计过程中通过反复调整轮胎三角胶芯的结构，以达到某种设计或性能需求。比如，由结构设计人员根据以往经验或参考竞品轮胎结构参数进行设计，设计过程中结构设计人员会设计出多个方案，然后加工轮胎模具生产样胎，进行室内外试验，最终在提供的几个方案中选出轮胎力学性能最好的方案，但是，通常结构设计人员所提供的方案中，并不一定含有最优的结构方案，导致所选方案的力学相关性能结果也大都是差强人意，而在新规格设计时，更是无能为力。显然，传统设计方法费时费力，且在新规格开发时，往往得不到轮胎力学性能最优轮胎三角胶芯结构。

发明内容

本发明针对现有轮胎三角胶芯设计往往是根据设计需求结合设计人员自身经验完成，不仅费时费力，而且很难得到轮胎力学性能最优轮胎三角胶芯结构，提出一种轮胎三角胶芯的结构设计方法。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种轮胎三角胶芯的结构设计方法，包括以下步骤：

步骤A、针对所要设计的轮胎型号，获得其任一单胶芯轮胎结构，构建有限元模型进行分析，设计并得到第一轮胎方案和第二轮胎方案，且第一轮胎方案和第二轮胎方案仅胶芯橡胶材料弹性模量不同；

步骤B、基于有限元分析，分别对第一轮胎方案和第二轮胎方案进行单胶芯结构轮胎的充气加载及滚动分析，并获得其对应的分析参数；

步骤C、基于步骤B获得的第一轮胎方案和第二轮胎方案对应的分析参数，依据等距中分线法，得到轮胎上三角胶芯和下三角胶芯的分界线，并以该分界线为基础，确定第三轮胎结构；

步骤D、通过有限元分析对第三轮胎结构进行验证，并进行迭代分析，以得到最终的三角胶芯结构设计方案。

进一步的，所述分析参数包括轮胎滚动一周所生成的最大主应变的最小值、最小主应变的最大值以及应变能密度变化数据，经过处理后得到对应的最大主应变的最小值应变云图、最小主应变的最大值应变云图以及轮胎三角胶芯的应变能密度变化云图。

进一步的，所述步骤A中，对于所确定的两组不同弹性模量的第一轮胎方案和第二轮胎方案，两个轮胎结构的弹性模量的选择分别记为E1和E2，且有：

E1＝E_min+K1*E_Δ；

E2＝E_min+K2*E_Δ；

E_Δ＝E_max-E_min；

其中，E_min-E_max为三角胶材料参数阈值区间，K1取值范围为0.1-0.3，K2取值范围为0.7-0.9，第一轮胎方案和第二轮胎方案的其他轮胎结构参数完全一样。

进一步的，所述三角胶材料参数阈值区间E_min-E_max的获取采用以下方式：

进行橡胶材料的力学测试实验，基于轮胎各部位橡胶的应力-应变曲线、剪切松弛模量数据得到橡胶材料的材料参数，以表征橡胶的超弹性力学特性；将已有轮胎三角胶材料的材料参数进行数据汇总，以得到三角胶材料参数阈值区间，记为E_min-E_max。

进一步的，所述步骤C中，基于获得的第一轮胎方案和第二轮胎方案的最大主应变的最小值应变云图、最小主应变的最大值应变云图以及轮胎三角胶芯的应变能密度变化云图分布情况，依据等距中分线法，得到轮胎上三角胶芯和下三角胶芯的分界线，并以该分界线为基础，确定第三轮胎结构，具体包括：

(1)设定应变及应变能阈值，从而分别确定第一轮胎方案和第二轮胎方案的“拉伸状态”区域和“压缩状态”区域，依据最大主应变最小值、最小主应变最大值叠加区域中分线，从而分别确定第一轮胎方案和第二轮胎方案的上下三角胶芯分界线；

(2)第一轮胎方案和第二轮胎方案的上下三角胶芯分界线形成一个封闭的相交区域，在相交区域中依据等距中分线法，确定上下三角胶芯分界线的位置，记为L₀，并将依据此分界线创建的三角胶芯结构记为第三轮胎结构。

进一步的，所述步骤D中，在对第三轮胎结构进行验证时，采用以下方式：

(1)基于有限元分析，对第三轮胎结构的最大主应变的最小值云图和最小主应变的最大值云图以及应变能密度变化云图进行分析处理；

(2)设定应变及应变能阈值，从而分别确定第三轮胎结构的“拉伸状态”区域和“压缩状态”区域，依据最大主应变最小值、最小主应变最大值叠加区域中分线，从而确定第三轮胎结构的上下三角胶芯分界线，记为L₁；

(3)判断是否满足上下胶芯位置偏移精度误差要求，即通过判断L₁和L₀的位置吻合程度是否达到设计要求；

如果达到要求，则将第三轮胎结构作为满足三角胶芯分界线要求的结构设计方案；

如达不到要求，则按照分界线L₁作为上下三角胶芯的分界线，重新进行有限元分析和迭代计算，直至满足设计要求。

进一步的，步骤D中，通过迭代分析上下三角胶芯分界线确定满足要求的轮胎结构设计方案后，依据应变能密度变化云图区域，确定三角胶芯中型胶的分界线，并添加到满足三角胶芯分界线要求的结构设计方案中，得到第四轮胎结构，作为最终的轮胎三角胶芯结构设计方案。

进一步的，所述步骤B中所述的分析参数还包括轮胎滚动一周所生成的mises应力、等效应力和等效应变数据。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案所提出的三角胶芯结构设计方法，基于有限元分析，创造性的提出以获得的三角胶芯设计相关的分析参数为基础，依据等距中分线法得到轮胎上三角胶芯和下三角胶芯的分界线来确定初步方案，然后依据插值求解及迭代优化思想对初步方案进行验证分析，得到最优的三角胶芯结构设计方案，该设计方法原理可靠，便于实施推广，可以有效的提高设计人员的结构设计效率，节省大量的人力物力，对轮胎结构性能的提高具有重要指导意义；

而且，通过本方案所设计的子午线轮胎三角胶芯力学性能显著提高，能有效的降低其应变能及行驶过程中的温度；与此同时，也明显改善胎圈的应力分布，有效的减小了轮胎的胎体内侧(靠近轮胎的三角胶芯的一侧)耐久问题，提高了轮胎的使用寿命；通过对胎圈的耐久分析可知，经过该方法所形成轮胎结构也同时增大了下三角胶芯与胎体之间的粘合度，使下三角胶芯与胎体之间脱层现象明显得到改善。

附图说明

图1为本发明实施例所述单胶芯轮胎结构材料分布图；

图2为本发明实施例单胶芯轮胎三维模型示意图；

图3为本发明实施例三角胶芯中某一单元滚动一周的结构示意图；

图4为本发明实施例三角胶芯中某一单元滚动一周的最大主应变的最小值应变变化曲线图；

图5为本发明实施例三角胶芯中滚动一周的最大主应变的最小值分布云图示意图；

图6为本发明实施例三角胶芯中某一单元的滚动一周的最大主应变的最小值应变曲线图；

图7为本发明实施例三角胶芯轮胎等距中分线法示意图；

图8为本发明实施例第三轮胎结构的材料分布图；

图9为本发明实施例应变能密度变化云图；

图10为本发明实施例最大主应变最小值等势线云图；

图11为本发明实施例最小主应变最大值等势线云图；

图12为本发明实施例第四轮胎结构的材料分布图；

图13为本发明实施例所述方法的流程示意图；

其中，1、三角胶芯；2、胎体；3、钢丝子口包布；4、钢丝圈；5、轮辋；6、轮胎；7、路面；8、三角胶芯中某一单元；9、滚动一周历程中某单元的最大主应变的最小值；10、当应变数值大于0.2时，最大主应变最小值主要分布区域；11、第一轮胎方案和第二轮胎方案应变值为-0.2～0.2时相交区域；12、上三角胶芯；13、下三角胶芯；14、0.5J/cm³应变能密度变化等势线；15、应变值为0～0.2时的等势线云图；16、应变值为-0.2～0时的等势线云图；17、型胶。

具体实施方式

为了能够更清楚的理解本发明的上述目的和优点，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细地描述：

本发明涉及一种轮胎三角胶芯的结构设计方法，具体来说是一种多配方三角胶芯结构的材料分界线位置确定方法，如上下/软硬三角胶芯结构、上中下三层三角胶芯结构或多层三角胶芯结构，首次创造性的提出基于有限元软件的二次开发功能，将轮胎截面节点信息以及最大主应变的最小值等信息写入有限元软件结果文件中，经过差值计算后形成三角胶芯的最大主应变的最小值云图，并通过综合分析对三角胶芯的结构进行设计。

其基本设计原理为：基于有限元软件(如MARC、ANSYS等)，将单胶芯结构轮胎进行充气加载及滚动分析计算后，得到相关分析参数；然后将生成的结果经过图像后处理软件(如Tecplot等)处理后，得到三角胶芯的应变云图，从而确定单胶芯轮胎三角胶芯的受拉以及受压区域；最后基于根据轮胎滚动一周历程所生成的最大主应变的最小值和最小主应变的最大值应变云图，以及轮胎三角胶芯的应变能密度变化云图分布特点，分析得到轮胎上三角胶芯和下三角胶芯的分界线，具体的，如图13所示，本实施例所提出的轮胎三角胶芯结构的设计方法主要包括以下步骤：

步骤一、针对所要设计的轮胎型号，获得其任一单胶芯轮胎结构的材料分布图，并构建有限元模型；

1.1、材料分布图处理：

针对所要设计的轮胎型号，任意选取一个单胶芯结构的轮胎材料分布图，如图1所示，先将单胶芯轮胎材料分布图在工程软件(如AutoCAD等)中简化处理(例如删除不必要的尺寸标注以及简化各种几何特征)，便于后续再导入有限元软件(MARC、ANSYS等)中网格离散化。

1.2、建立有限元模型：

(1)将处理后的单胶芯轮胎材料分布图导入有限元软件中进行网格离散化，对于局部应力集中部位网格要细划，例如与地面接触的胎冠部位以及轮辋与子口接触部位等。其中橡胶部件单元所采用的四边形单元类型为CGAX4H(以ABAQUS软件为例)，三角形单元类型为CGAX3H，骨架材料单元类型选择SFMGAX1，而胎圈钢丝处理时，则选用CGAX4R，网格划分完之后，检查并修改网格单元质量，确保模型收敛；

(2)橡胶材料参数获得及阈值区间确定：

进行橡胶材料的力学测试(如单轴拉伸等)，获得轮胎各部位橡胶的应力-应变曲线、剪切松弛模量等数据，并对测试结果数据进行拟合，得到橡胶材料的Neo-Hooke超弹性模型(也可为其它橡胶类超弹性模型，此处以该模型为例)材料参数，并以该材料模型来表征橡胶的超弹性力学特性。将现有市场上轮胎三角胶材料的材料参数进行数据汇总(可通过市场上轮胎产品剖析后得到其橡胶材料并进行上述实验得到材料参数)，材料参数阈值区间汇总后记为E_min～E_max，以便后期数值模拟的参数选择；基于市面上所有的三角胶材料参数阈值范围，汇总统计后，作为后续分析的数据依据，有效的涵盖了所有的分析情况；

(3)定义模型材料参数和截面属性(以ABAQUS为例)：

将材料参数进行定义，根据橡胶材料试验所得材料参数，设置超弹性及弹性参数，创建截面属性，将截面属性赋给轮胎各层材料。在给单胶芯轮胎三角胶芯部位赋予材料时，设置两个方案，分别记为第一轮胎方案和第二轮胎方案(所述第一轮胎方案、第二轮胎方案的材料分布图相同，但胶芯部位材料不一致)。

第一轮胎方案与第二轮胎方案的区别之处在于三角胶芯具有不同的材料参数E1、E2，根据材料参数阈值区间E_min～E_max，且有：

E1＝E_min+K1*E_Δ；

E2＝E_min+K2*E_Δ；

E_Δ＝E_max-E_min；

其中，K1取值范围为0.1-0.3，K2取值范围为0.7-0.9，第一轮胎方案和第二轮胎方案的其他轮胎结构参数完全一样。本实施例中优选K1取0.2，K2取0.8，即：

E1＝E_min+0.2*E_Δ，E2＝E_min+0.8*E_Δ，E_Δ＝E_max-E_min；

例如材料参数阈值0.2～2.2，则E1＝0.6，E2＝1.8，两个方案模型其他轮胎结构参数、气压、负荷(气压和负荷根据该轮胎实际使用工况确定)完全一样。

(4)定义接触属性，建立分析步并设置边界条件，实现有限元仿真分析：

在轮辋与轮胎装配的过程中，需要定义轮辋与子口表面的接触属性以及胎面与地面的接触属性，根据实际情况设置即可；并基于实际需求创建分析步，根据轮胎实际使用工况施加载荷，并模拟轮胎与轮辋装配，充气，静负荷及滚动情况，提交作业，在工作站进行有限元分析；轮胎有限元模型如图2所示，其中5是轮辋刚体，6是轮胎，7是路面。

步骤二、基于有限元分析，将单胶芯结构轮胎进行充气加载及滚动分析：

对第一轮胎方案和第二轮胎方案同时进行以下处理：待有限元仿真分析完成后，提取轮胎三角胶芯单元在加载后滚动一周历程的每个单元最大主应变的最小值和最小主应变的最大值、以及应变能密度变化数据，经过处理后得到对应的应变云图作为设计依据。

以最大主应变的最小值提取过程为例：

首先，提取单胶芯三角胶芯中某一个单元在滚动一周历程中最大主应变的最小值，相关结构示意图如图3所示，其中8为三角胶芯中某一单元。该单元在滚动一周历程中，最大主应变的最小值的数值变化过程如图4所示(其中X轴为滚动一周过程中该时刻的转角，Y轴为滚动一周过程中的该时刻的最大主应变值)，其中9为滚动一周历程中该单元的最大主应变的最小值。

以此类推，提取所有三角胶芯单元的最大主应变的最小值。将该轮胎截面所有单元节点信息以及单元的最大主应变的最小值信息写入有限元软件结果文件(例如ABAQUS的结果文件，后缀为.odb的文件)，经过有限元后处理软件插值计算后最终形成三角胶芯的最大主应变的最小值云图，如图5所示。

以同样的方法，提取出轮胎滚动一周历程中三角胶芯的最小主应变的最大值以及应变能密度变化幅值数据，形成三角胶芯的最小主应变的最大值云图、应变能密度变化云图。

步骤三、对两方案的应变云图进行比较分析：

分别按照步骤二所述方式提取得到两个方案的最大主应变的最小值、最小主应变的最大值以及应变能密度变化云图，设定应变及应变能密度阈值(以下简称阈值)。本实施例中，比如，设定两方案轮胎三角胶芯部位的最大主应变的最小值在阈值(0～0.2)这条等势线以上区域记为“拉伸状态”区域，最小主应变的最大值在阈值(-0.20～0)这条等势线以下区域记为“压缩状态”区域，上下软硬胶芯分界线应变数值介于-0.2～0.2之间(具体数值根据轮胎实际使用工况和橡胶材料特性确定)。根据轮胎滚动一周历程的受力状况，通过分析轮胎的应变云图可知，拉伸状态区域要选择含补强填料(主要是炭黑)量较低、含天然橡胶量较高、弹性模量适中，硬度适中，抗疲劳性能优越的橡胶，以抵抗轮胎滚动过程中的较大变形；而压缩状态区域要选择含补强填料(主要是炭黑)量较高、弹性模量较大，硬度较大的橡胶配方材料，用来抵抗轮胎在滚动过程中较大的压应力变形。

上述所述的阈值，即应变及应变能密度阈值具体根据轮胎使用工况、轮胎设计里程、该部位选用橡胶的疲劳试验决定，即通过该种橡胶材料在满足轮胎设计里程的疲劳次数下，最大应变/应变能密度变化的最大值必须大于该阈值。本方案创造性的采用基于应变及应变能密度阈值，确定轮胎的实际使用疲劳极限，有效的确保了轮胎使用过程中的安全性。确保该种橡胶能承受相当于轮胎实际使用工况的疲劳极限；也就是说该种橡胶在该轮胎使用条件下，在设计里程之内不会发生疲劳损坏，考虑轮胎翻新等因素，其实际使用里程将更高，为安全起见，将其阈值设置在一定安全倍数范围内(具体由各轮胎生产企业决定)。

本实施例中，通过设定应变及应变能阈值，依据应变等势线的位置，从而分别确定第一轮胎方案和第二轮胎方案的“拉伸状态”区域和“压缩状态”区域，依据最大主应变最小值、最小主应变最大值叠加区域中分线，从而分别确定第一轮胎方案和第二轮胎方案的上下三角胶芯分界线，形成一个封闭的相交区域，最终的相交区域的相关结果如图6所示，其中11即为两组方案相交所产生的相交区域，在两方案主应变云图的相交区域的中间位置确定一条分界线，作为轮胎上三角胶芯和下三角胶芯的分界线。

在形成的封闭区域内，采用等距中分线法，即将两个封闭区域的边界采用等间距均分，如图7所示，将两个边界多等分(比如6等分)，然后将两条区域线等分点依次连接，从封闭区域的起始点A开始依次连接等分点连线的中点，最终形成一条两区域的分界线，图7中，A、B分别为封闭区域的两个端点，C点为其中的一个等分点，E为封闭区域两侧对应等分点连线的中点，D为封闭区域的等分线，将等分线D记为L₀。

将L₀作为轮胎上三角胶芯和下三角胶芯的分界线。依据此分界线创建上下三角胶芯结构的新方案，记为第三轮胎结构(第三轮胎结构和下文所述的第四轮胎结构即为经过上述分析处理得到的轮胎材料分布图)，如图8所示，其中12为上三角胶芯、13为下三角胶芯。本方案基于等距中分线法，将两个封闭区域的边界采用等间距均分，依次连接等分点连线的中点，最终形成一条两区域的分界线，合理的将封闭区域两等分，确保了分析的准确性。

步骤四、验证第三轮胎结构的上下三角胶芯分界线的位置并迭代：

(1)将上述第三轮胎结构按照有限元分析计算的过程(步骤1.2)进行分析计算，其中，三角胶芯中12上三角胶芯弹性模量选取实际设计中的上胶芯材料参数，13下三角胶芯选取实际设计下胶芯材料参数，其他参数、气压和负荷以及分析步都和步骤1.2保持一致；待有限元计算完成之后，根据步骤二所述的方法生成最大主应变的最小值云图和最小主应变的最大值云图以及应变能密度变化云图，并通过调整有限元后处理软件云图的图例作进一步的处理，使对应的应变区域显示更加准确。

(2)通过调整图像处理软件显示图例将图10和图11等势线图叠加后，依据等距中分线法确定最大主应变最小值、最小主应变最大值叠加区域的中分线，记为L₁，判断线L₁与第三轮胎结构上三角胶芯和下三角胶芯的分界线L₀位置吻合程度是否达到85％以上(分界线位置上下最大偏差小于±2mm，当然也可以根据实际情况选择其他判断标准，比如吻合程度是否达到90％等)。

如达不到该误差要求，则按照分界线L₁作为上下三角胶芯的分界线，返回到有限元分析计算，如流程图13所示，继续进行上述迭代计算，直至满足该要求，通过对上下三角胶芯分界线迭代分析，最终得到满足三角胶芯分界线要求的轮胎结构设计方案。

如果达到误差要求，则无需上述迭代过程。

(3)对满足上下三角胶芯分界线要求的轮胎结构设计方案，再根据应变能密度变化云图确定三角胶芯中型胶的分界线，得到第四轮胎结构，即作为轮胎三角胶芯结构设计方案的最终方案，如图12所示，其中17为型胶。

在确定型胶分界线时，具体采用以下方式：轮胎三角胶芯的应变能密度变化较大区域为三角胶芯内部在轮胎滚动过程中变形幅度较大区域，该区域会产生较多热量，相关结果如示意图9应变能密度变化云图的分布规律，其中14为0.5J/cm³应变能密度变化等势线；结合0.5J/cm³应变能密度变化等势线(该应变能密度变化等势线为确定型胶分界线的依据，应变能密度变化等势线的取值要具体根据轮胎使用工况、轮胎设计里程、该部位选用橡胶的疲劳试验等因素决定)，确定三角胶芯中型胶的分界线，最终得到一个全新轮胎三角胶芯结构设计方案。

这样不仅实现了通过应变能变化等势线的位置，区分三角胶芯的不同区域受力变形状态，并以此为依据确定该位置橡胶中补强材料的种类和含量，进而实现了三角胶芯橡胶配方的优化，同时也得到了性能更好的轮胎结构。

具体在迭代计算过程中，本实施例只考虑上下胶芯分界线的迭代分析，最后再探讨应变能密度区域结构，即型胶结构的设计，型胶分界线在满足上下胶芯分界线位置精度要求后确定最终的材料结构时添加，具体可以基于应变能密度变化云图等势线分布规律，以及生热情况，确定三角胶芯中型胶的位置，有效的提高轮胎设计的合理性，当然，具体实施时也可以具体根据实际情况进行相应的调整或处理，在此不做详述。

需要强调的是，本实施例中，选取某一区域的最大主应变的最小值、最小主应变的最大值以及应变能密度变化值作为分析参数进行介绍，但本发明不局限于上述分析参数，也可以采用诸如mises应力、等效应力、等效应变等相关参数，通过改变分析参数但采用与本方案详相似的设计思路都视为等同变化与改型。

为了进一步证明本发明方案的优势，对英制无内胎系列轮胎(13R22.5、12R22.5、11R22.5、9R22.5等)进行验证，相比传统设计方法，通过本方案设计的轮胎的结构性能更优，轮胎的胎圈耐久性能提高9％-16％；轮胎的滚动阻力降低1％～3％；轮胎胎体和钢丝包布帘布层端部应变能降低8％左右，胎圈部整体应变能降低5％左右；轮胎行驶过程中的温度，圈部行驶温度约降低3度左右；具体的，以12R22.5规格为例，如表1所示：

表1：基于传统方法和本发明方法所设计的12R22.5规格轮胎结构性能比较：

可见，通过本发明方案可以有效的降低轮胎在滚动一周的过程中的轮胎上三角胶芯和下三角胶芯的形变量以及应力和发热情况，能有效的防止轮胎上三角胶和下三角胶由于生热所产生的脱层现象。与此同时，也有效的减小了轮胎的胎体内侧(靠近轮胎的三角胶芯的一侧)耐久问题，提高了轮胎的使用寿命；而且较传统以往的轮胎三角胶芯结构设计而言，力学性能显著提高，能有效的提高轮胎的耐久性能。通过对胎圈的耐久分析可知，经过该方法所形成轮胎结构可以明显改善胎圈的应力分布，同时也增大了下三角胶芯与胎体之间的粘合度，使下三角胶芯与胎体之间脱层现象明显得到改善。

本发明方法所设计的子午线轮胎三角胶芯，有效的填补了轮胎在设计上下三角胶芯结构过程中的技术方法空白和理论依据，当然，在不脱离本发明上述设计构思的前提下，基于该方法设计的三角胶芯不仅适用于两层结构的三角胶芯，同时还适用于三层结构以及多层结构的三角胶芯，主要是由于轮胎在不同使用条件的情况下，轮胎胶芯处的最大主应变的最小值和最小主应变的最大值云图区域可能会出现间隔或层状分布，此时就有可能产生两层或多层的轮胎三角胶芯结构。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种轮胎三角胶芯的结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、针对所要设计的轮胎型号，获得其任一单胶芯轮胎结构的材料分布图，构建有限元模型进行分析，设计并得到第一轮胎方案和第二轮胎方案，且第一轮胎方案和第二轮胎方案仅胶芯橡胶材料弹性模量不同；

步骤B、基于有限元分析，分别对第一轮胎方案和第二轮胎方案进行单胶芯结构轮胎的充气加载及滚动分析，并获得其对应的分析参数；所述分析参数包括轮胎滚动一周所生成的最大主应变的最小值、最小主应变的最大值以及应变能密度变化数据，并且经过处理后得到对应的最大主应变的最小值应变云图、最小主应变的最大值应变云图以及应变能密度变化云图；

步骤C、基于步骤B获得的第一轮胎方案和第二轮胎方案对应的分析参数，依据等距中分线法，得到轮胎上三角胶芯和下三角胶芯的分界线，并以该分界线为基础，确定第三轮胎结构，具体方法包括：

(1)设定应变及应变能阈值，从而分别确定第一轮胎方案和第二轮胎方案的“拉伸状态”区域和“压缩状态”区域，依据最大主应变最小值、最小主应变最大值叠加区域中分线，从而分别确定第一轮胎方案和第二轮胎方案的上下三角胶芯分界线；

(2)第一轮胎方案和第二轮胎方案的上下三角胶芯分界线形成一个封闭的相交区域，在该相交区域中依据等距中分线法，确定上下三角胶芯分界线的位置，记为L₀，并将依据此分界线创建的三角胶芯结构记为第三轮胎结构；

步骤D、通过有限元分析对第三轮胎结构进行验证，并进行迭代分析，以得到最终的轮胎三角胶芯结构设计方案。

2.根据权利要求1所述的轮胎三角胶芯的结构设计方法，其特征在于：所述步骤A中，对于所确定的两组不同弹性模量的第一轮胎方案和第二轮胎方案，两个轮胎结构的弹性模量的选择分别记为E1和E2，且有：

E1＝E_min+K1*E_Δ；

E2＝E_min+K2*E_Δ；

E_Δ＝E_max-E_min；

其中，E_min-E_max为三角胶材料参数阈值区间，K1取值范围为0.1-0.3，K2取值范围为0.7-0.9，第一轮胎方案和第二轮胎方案的其他轮胎结构参数完全一样。

3.根据权利要求2所述的轮胎三角胶芯的结构设计方法，其特征在于：所述三角胶材料参数阈值区间E_min-E_max的获取采用以下方式：

进行橡胶材料的力学测试实验，基于轮胎各部位橡胶的应力-应变曲线、剪切松弛模量数据得到橡胶材料的材料参数，以表征橡胶的超弹性力学特性；将已有轮胎三角胶材料的材料参数进行数据汇集，以得到三角胶材料参数阈值区间，记为E_min-E_max。

4.根据权利要求1所述的轮胎三角胶芯的结构设计方法，其特征在于：所述步骤D中，在对第三轮胎结构进行验证时，采用以下方式：

(1)基于有限元分析获得第三轮胎结构的最大主应变的最小值云图和最小主应变的最大值云图以及应变能密度变化云图；

(2)设定应变及应变能阈值，从而分别确定第三轮胎结构的“拉伸状态”区域和“压缩状态”区域，依据最大主应变最小值、最小主应变最大值叠加区域中分线，从而确定第三轮胎结构的上下三角胶芯分界线，记为L₁；

(3)判断是否满足上下三角胶芯位置偏移精度误差要求，即通过判断L₁和L₀的位置吻合程度是否达到设计要求；

如果达到要求，则将第三轮胎结构作为满足三角胶芯分界线要求的轮胎结构设计方案；

如达不到要求，则按照分界线L₁作为上下三角胶芯的分界线，重新进行有限元分析和迭代计算，直至满足设计要求。

5.根据权利要求4所述的轮胎三角胶芯的结构设计方法，其特征在于：步骤D中，通过迭代分析上下三角胶芯分界线确定满足三角胶芯分界线要求的轮胎结构设计方案后，依据应变能密度变化云图区域，确定三角胶芯中型胶的分界线，并添加到满足三角胶芯分界线要求的轮胎结构设计方案中得到第四轮胎结构，作为最终的轮胎三角胶芯结构设计方案。

6.根据权利要求1所述的轮胎三角胶芯的结构设计方法，其特征在于：所述步骤B中所述的分析参数还包括轮胎滚动一周所生成的mises应力、等效应力和等效应变数据。