基于模拟分析的导热系数对聚氨酯轮胎内部温度场研究

作者:卞淞霖;江楠;冯毅 刊名:广东化工 上传者:董静

【摘要】根据PU(聚氨酯)复合轮胎材料特性,测定了其胎面材料热物性参数—导热系数,并根据PU(聚氨酯)复合轮胎结构特性,建立了轮胎滚动状态下稳态热学分析模型,给出了变导热系数下的温度场分布云图和温度分布曲线。计算结果较真实的反映了轮胎内部温度场分布情况,为改进胶料配方设计提供参考。

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Pu(聚氨酯)轮胎是华南理工大学目前正在攻关的一种绿色环保轮胎,它是以环保材料聚氨酯为胎面,以橡胶为胎体的新型复合绿色轮胎。聚氨酯轮胎由于其优良的耐磨性、滚动阻力以及抗撕裂性能将成为未来汽车轮胎发展的主流[1],在汽车行业拥有广阔的应用前景。但从国内外文献资料来看,轮胎用的聚氨酯材料尚存在内生热大、动态负荷下的耐疲劳性欠佳,耐驱挠性较差等不足之处,这是制约高速聚氨酯绿色轮胎研发的关键因素[2,3]。众所周知,轮胎生热直接关系到轮胎的使用性能和寿命,轮胎在行驶过程中温度过高会加速橡胶材料的老化,使其各项性能下降,长时间使用会造成脱皮,乃至破坏[4]。我们在实际的轮胎(10.00R20型PU轮胎)里程实验中,通过实际测温发现轮胎的聚氨酯胎面与橡胶胎体结合面处温度达111度,其外胎表面也达到80~90度。这样高的温度导致接触面的聚氨酯变性,以致熔化,最终使得轮胎发生脱层破坏。影响轮胎生热的因素很多,导热系数对轮胎内部温度场影响显著。本文并根据PU(聚氨酯)复合轮胎结构特性,建立了轮胎滚动状态下稳态热学分析模型,给出了变导热系数下的温度场分布云图和温度分布曲线,研究了导热系数对轮胎内部温度场的影响。1导热系数测定图1试验装置图Fig.1 The structure of test equipment本实验装置如图1由中间加热板,上下两冷板材料采用铝板,长140 mm,宽140 mm。测温用康铜热电偶,试片裁成长方形,规格为100×50 mm。上下两片,厚度均匀在3~5 mm之间。数据采集时间间隔设定为3秒,自动采集加热功率及两试片冷、热面温度,并描绘出温度及导热系数随时间变化曲线。在实际的轮胎里程对比实验(PU(聚氨酯)轮胎在相同的条件下)中,测试了两种胎面材料导热系数分别为0.214 W/m·℃(试样1)和0.350 W/m·℃(试样2)。2轮胎建模与求解2.1建模仿真模型的建立是针对华工百川自控科技有限公司开发的型号为10.00R20PU(聚氨酯)复合轮胎而建立的,因基体采用子午线轮胎结构,胎面采用CPUE弹性体高分子复合材料。且采用浇注工艺生成。实际采取轮胎的断面来进行模型的分析和建立。轮胎的模型在PRO-E软件里采用轮胎实测数据,生成PU轮胎的四个部分:聚氨酯胎面、橡胶胎体、钢丝帘线、钢丝圈。然后将上述四个部分装配而成轮胎,截取装配成的轮胎1/4部分。如图2所示。图2 1/4 10.00R20PU轮胎模型图Fig.2 1/4 PU tire model将生成的轮胎几何模型导入ANSYS中,选取轮胎实体模型截面划分网格。计算选用2D SOLIDE PLANE77单元即八节点四边形单元单元类型,材料属性按表1选取。2.2轮胎材料属性的选取轮胎的材料属于典型的复合材料,其力学参数和热学参数都比较难以确定,为了简化计算,本文把轮胎看成均质各向同性材料。根据假设本文把滚动状态下的PU复合轮胎分为四个不同的部分,各部分的物性参数如下表:表1 PU轮胎有限元模型各部分材料属性参数Tab.1 Characteristic of each portion of PU tire性能参数材料橡胶PU轮胎钢丝帘布和金属线圈生热率[J·(m3·s)-1]*170 100质量密度(kg·m-3)*1.2×103 1.2×103 6.5×103导热系数[W·(m·℃)-1]**0.23 0.214/0.35 60.5比热容J/Kg℃*1200 2370 1100带**的数据由试验测得或计算得到;带*的数据由文献资料提供[3,4];2.3边界条件处理由于轮胎的滚动状态相对来讲处

参考文献

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