摘要：轮胎形态变化仿真技术可以在汽车开发的早期阶段向汽车制造商提供装配不同轮胎和轮辋型号的预测数据。这项仿真技术具有进一步应用的潜在价值。在汽车早期设计阶段，需要考虑的有关轮胎的重要问题包括：应该选择哪种规格的轮胎和轮辋，设定最佳的轮胎充气内压，如何才能通过对轮胎的改进获得接近轮胎实测值的重要性能指标，这些数据与汽车的相关性有多大？轮胎模型软件CD Tire/3D是可以在第一个实体样品出现之前用来预测轮胎性能的新软件，可以解决上述问题。
关键词：轮胎；形态变化仿真；CD Tire/3D软件；模拟精度
1 前言
缩短开发时间通常是汽车生产商的一个重要目标。缩短开发时间最好的方法是在实验阶段以前加速方案设计阶段的完善。要想使至关重要的最终产品质量得到保障，只能根据设计路线，通过测试对车辆性能进行深入研究。利用模拟工具可以在不影响质量的情况下使项目更为成熟。为了达成这一目标，Fraunhofer公司与汽车制造商合作，投入大量的心血对模拟工具进行改善，以提高早期开发阶段对性能预测的精确度。
图1 缩短汽车研发时间的挑战
轮胎是预测汽车性能时需要考虑的一个重要方面。轮胎模型软件CD Tire/3D是可以在第一个实体样品出现之前用来预测轮胎性能的新方法。
在汽车早期设计阶段，需要考虑的有关轮胎的重要问题包括：应该选择哪种规格的轮胎和轮辋，设定最佳的轮胎充气内压，如何才能通过对轮胎的改进获得接近轮胎实测值的重要性能指标，这些数据与汽车的相关性有多大？
2 CD Tire/3D
Fraunhofer ITWM公司开发出的轮胎结构模型CD Tire/3D，是为了使汽车行驶舒适、经久耐用、具有先进的驾驶方案而定制的。这款模型是以空间有限差分公式为基础，形成了轮胎模型的外壳。冠带层、带束层和胎体帘布层等功能补强层会在轮胎模型建立时累加到轮胎壳性能上。另外，这些功能补强层的数据可以从参数存储资料所对应的材料参数中获取。由于轮胎在压缩或张力状态下的不同性能表现，每层帘线补强层的模型均包含弹性体材料成分中的非线性部分。材料
轮胎形态变化的仿真技术
冯普凌编译
性能的几何公式考虑到相当大的变形。图2为图示MBD轮胎结构模型的的主要功能部件。
图2 CD Tire模型模拟的功能补强层
通过将精准的轮胎充气内压作用于轮胎气密层表面，模型就可以将材料特性和几何特性严格区分开来。
CD Tire/3D中的结构助手采用轮胎充气横截面几何图形将轮胎结构特性参数化。这些特性包括轮胎的胎面、冠带层、带束层和胎体帘布层等功能层特性，以及功能层的位置等结构特性。图3为图示结构部件的界面布局。
图3 结构部件布局
由于模型将材料特性和几何特性严格区分开，Fraunhofer ITWM开发出一种基于标准尺寸规范模拟现有轮胎形状变化的方法，标准尺寸规范包括：
·轮胎标准宽度（例如225mm）
·轮胎高宽比（例如45%）
·轮辋标准直径（例如17 in）
·轮辋标准宽度（例如7.5 in）
这种变形算法可根据这四个标准记述参数的任何改变，适应轮胎横断面参考结构的几何描述，而无需改变材料类型。简而言之，模型中的轮胎尺寸是可改变的，例如，范围可以是225/45 R17(x7.5)～235/40 R18(x8)。图4为图示这种尺寸变化的原理。
图4 轮胎形状变化
3 轮胎独立试验专用装备验证
许多研究人员描述了轮胎充气内压对轮胎性能的重要性。这是轮胎的一个重要因素，需要用物理方法来描述。作用于气密层的压缩空气起到承载轮胎结构的作用。这种力大部分被帘布层所吸收。帘布层是指钢丝帘线、胎体帘布层和冠带层，它们是轮胎的承载负荷结构。因此，为了预测轮胎充气内压效果，轮胎模型需要进行在任何运行条件下的轮胎充气内压（p）和体积(V)的准确描述。这样，模型的体积、压力和结构之间的相互作用都可以用物理实体的模式进行解释。图5为图示其中一个实例。
图5 轮胎拐弯能力与预加载的关系
——充气内压对乘用车轮胎的影响
与轮胎充气内压有关的模型的物理性已被确认。同一辆汽车可以使用不同规格的轮胎。这些轮胎可以属于同一个轮胎族。假设基于一个轮胎族（例如：235/55 R19 8J）的参数化CDTire模型，那么，这个模型可以换成其它规格的轮胎/轮辋吗（例如，换成255/50 R19 9J）？使用新规格轮胎后，模型的预测准确率又会是怎样呢？
为了达成这种可变形态的目标，先将可称为前身轮胎或基础轮胎的轮胎模型参数化。这些目标包括：
·建立一个轮胎模型，该模型可通过改变基础轮胎的目标规格，实现预测在现实中还不存在的轮胎良好性能的目标。
·预测不同规格轮胎的性能差异。
·实现改变轮辋宽度的可能性。
CD Tire/3D有一个功能，可将重量、几何形状和材料这三方面的特性划分得十分清晰。从应用的观点来看，这种方法在轮胎早期设计阶段可用于以下几个方面：
·为了预测轮胎在质量方面的特性变化，着手打造一个具有不同轮胎
/轮辋规格的虚拟轮胎模
型。
·不同规格轮胎在使用中的性能分布。
此模型与轮胎充气内压有关的物理性已被确
认。图6为图示在基础轮胎形态变化之后，CD
Tire/3D的预测能力。
图6 轮胎拐弯能力与Fz的关系(左图：规格为235/55 R19 8J的基础轮胎
右图：规格为255/50 R19 9J形态变化后的轮胎)
如果前身轮胎和样胎（或是形态变化后的轮
胎）的材料、结构和胎面花纹都是一样的，CD Tire
可以将轮辋/尺寸效应很精确地显示出来。图7为
图示CD Tire/3D模型在形态变化前（左图）和形
态变化后（右图）的状况。
图7 轮胎结构部件布局
4 仿真模拟结果与实验结果对比
为了评估上述工具能否正常工作，对模拟预
测结果与实验结果进行了对比。如图8和图9所
示，实测与预测汽车性能显示器之间的轮胎尺寸
差异造成的性能差异很小。这可以证明，该方法
也可以用于轮胎的早期研究开发而无需更多的实
体轮胎测试。图8和图9为图示轮胎形态变化后
的两种状况。
·前轴安装了规格为235/55 R19 8J的轮胎，
后轴安装了规格为255/50 R19 9J的轮胎，这种配
轮胎参数置是为了优化汽车的性能。
前轴和后轴都安装了规格为235/60 R18 8J的轮胎，这种配置是为了实现汽车的经济性。
图8 前轴为235/55 R19 8轮胎，后轴为255/50 R19 9J轮胎（…/…），前轴和后轴均为
235/60 R18 8J轮胎（—/—）
图9 前轴为235/55 R19 8轮胎，后轴为255/50 R19 9J轮胎（…/…），前轴和后轴均为
235/60 R18 8J轮胎（—/—）
图10为图示测定实体轮胎试样的改进百分比，并与仿真轮胎预测的改进百分比进行对比。这项对比考虑
了所有用来测量需要达到的设计操控性能参数。结果表明，预测值与实测值的趋势一致，剩余平方和超过0.75，预测精确度的误差在10%以内。
基于以上研究成果，这项仿真技术取得了成功，具有进一步应用的潜在价值。在未来的项目中，将致力于实现材料和结构有轻微改变（除轮胎充气内压和尺寸变化之外的改变）的轮胎模型研究。
图 10 测量值和预测值的百分比改进对比
编译自Francesco Calabrese，Manfred Bäcker，Axel Gallrein. Simulation of tire variation[J]. TIRE TECHNOLOGY INTERNATIONAL-The Aunnal Review of Tire Materials and Tire Manufacturing Technology，2018：38-40.
海南橡胶筹划国内第一条石墨烯/天然橡胶复合材料生产线
海胶集团与中国航发北京航空材料研究院（以下简称“中国航发航材院”） 2018年12月11日在海口签订战略合作协议，共同成立特种天然橡胶联合实验室并现场揭牌。双方将有效推进工业强基工程项目，进一步共享研究资源（包括技术、设备、人员），发挥双方优势，以天然橡胶为基材，通过化学、物理改性等方式研发功能性特种天然橡胶材料技术，开发航空、航天、船舶、高铁等专用功能性特种天然橡胶和衍生系列产品。
同日，海胶集团与中国航发航材院联合成立的“特种天然橡胶联合实验室”首次召开联席会议，将联合攻关首个高端材料研发项目——石墨烯/天然橡胶复合材料，并打造国内第一条石墨烯/天然橡胶复合材料生产线。
据特种天然橡胶联合实验室介绍，石墨烯具备强度高、抗撕裂、导电导热、吸波滤波等多种优异性能。该实验室将在中国航发航材院石墨烯基础研究和应用的基础上，结合海胶集团天然橡胶复合材料湿法混炼技术，将石墨烯引入天然橡胶材料，提升天然橡胶物理性能的同时，实现天然橡胶的功能化。该实验室将以石墨烯/天然橡胶复合材料研制为基础，后期将在海南建立国内第一条石墨烯/天然橡胶复合材料生产线，立足高端功能化的天然橡胶复合材料研发制造。
双方还将共同推动《中华人民共和国政府与马来西亚政府联合声明》第15项中《海南农垦总局（海南省农垦投资控股集团有限公司）与马来西亚橡胶局关于橡胶沥青路面技术与割胶自动化技术及商业合作谅解备忘录》中橡胶沥青路面技术在北京市冬奥会道路建设方面的应用。
（钱伯章供稿）
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