[论文解读] Effect of spoke design and material nonlinearity on non-pneumatic tire stiffness and durability performance

Priyankkumar Dhrangdhariya, Soumyadipta Maiti+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2021

Mechanical Engineering and Vibrations Research被引用 4

一句话总结

本研究利用 ANSYS 16.0 中的三维有限元建模，探究了辐条几何结构与聚氨酯（PU）材料非线性对非充气轮胎性能的影响。结果表明，Mooney-Rivlin 5 参数模型最能准确捕捉 PU 材料的非线性特性，且 UPTIS 辐条设计与非线性材料相结合的组合在刚度、耐久性和乘坐舒适性方面表现更优。

ABSTRACT

Non-pneumatic tire has been widely used due to their advantages of no run-flat, no need of air maintenance, low rolling resistance, and improvement of passengers comfort due to its better shock absorption. It has variety of application in the military vehicle, earthmovers, lunar rover, stair climbing vehicles etc. Recently UPTIS (Unique Puncture-Proof Tire System) non pneumatic tire has been introduced for passenger vehicles. In this study three different design configuration Tweel, Honeycomb and newly developed UPTIS have been compared. Effect of Polyurethane (PU) material nonlinearity have also been introduced by applying 5 different nonlinear PU material property in the spokes. The combined analysis of the PU material nonlinearity and spoke design configuration on the overall tire stiffness and spoke damage prediction is analysed using 3-Dimensional FEM simulations performed in ANSYS 16.0. It has been observed that Mooney Rivlin 5-parameter model is best to capture all 5 studied PU materials the nonlinearity. Effect of material nonlinearity on various spoke designs have been studied. The best combination of spoke design and the use of nonlinear material have been suggested in terms of riding comfort, tire stiffness and durability performance.

研究动机与目标

• 评估不同辐条设计（Tweel、Honeycomb 和 UPTIS）对非充气轮胎机械性能的影响。
• 评估聚氨酯（PU）材料非线性在影响轮胎刚度与耐久性方面的作用。
• 识别辐条几何结构与非线性材料性能的最佳组合，以提升乘坐舒适性与结构性能。
• 验证 Mooney-Rivlin 5 参数模型在表征多种 PU 材料行为方面的准确性。
• 为具有增强耐久性与降低动态载荷效应的非充气轮胎提供设计指导。

提出的方法

• 使用 ANSYS 16.0 进行三维有限元法（FEM）模拟，以建立非充气轮胎结构的模型。
• 在相同载荷条件下，评估三种辐条构型：Tweel、Honeycomb 和 UPTIS。
• 应用五种不同的非线性材料模型于聚氨酯（PU），包括 Mooney-Rivlin 5 参数模型。
• 进行静力学与耐久性模拟，以评估辐条中的应力分布、变形及损伤起始情况。
• 使用 Mooney-Rivlin 5 参数模型拟合并表征五种不同 PU 材料的非线性应力-应变行为。
• 将模拟结果与轮胎刚度、能量耗散及预测的辐条失效模式进行关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同辐条设计（Tweel、Honeycomb、UPTIS）如何影响非充气轮胎的刚度与耐久性？
• RQ2 聚氨酯材料非线性在静载与循环载荷下对轮胎性能的影响程度如何？
• RQ3 哪种辐条几何结构与 PU 材料模型的组合能实现刚度、耐久性与乘坐舒适性之间的最佳平衡？
• RQ4 Mooney-Rivlin 5 参数模型能否准确表征用于轮胎辐条的多种 PU 材料的非线性行为？
• RQ5 在实际载荷条件下，辐条组件的主要失效模式是什么？这些失效模式如何随设计与材料而变化？

主要发现

• Mooney-Rivlin 5 参数模型在所有五种测试的聚氨酯材料中，均提供了最准确的非线性应力-应变行为表征。
• 与 Tweel 和 Honeycomb 构型相比，UPTIS 辐条设计表现出更高的刚度与更低的应力集中。
• 非线性材料行为显著影响能量吸收与应力分布，从而降低了辐条中的峰值应力。
• UPTIS 辐条几何结构与非线性 PU 材料的结合使预测损伤指数最低，表明耐久性显著提升。
• Tweel 设计的应力集中最为明显，尤其是在辐条根部连接处，表明其具有更高的失效风险。
• 模拟结果表明，必须准确捕捉材料非线性特性，才能预测真实的轮胎性能与耐久性。