仿章鱼吸盘式轮胎花纹设计与有限元分析

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Imitation Octopus Sucker-Type Tire Tread Pattern Designand FiIlite Element AnalysisZHOU Likun，WANG Hongwei(Military Trafic&Transportation Department，Armed Police Logistics Institute，Tianjin 300162，China)Abstract：In view of the inherent defects of traditional anti-skid chain，inspired by octopus suckers，withbionics principle and vacuum adsorption theory and combined with the ice surface anti-skid facts，a pre-liminary bionics random tire distribution model is founded based on rectangular layout rule with conical-shaped sucker for bionic unit and the bionic tire 3 D solid model is designed by using Pro/E software.Fi-nally，ANSYS software is used to carry out the finite element analysis and simulation of the bionic tire en-tity model；also，mechanical analysis and efective adsorption performance verification are made of thesucker type patern as viewed from the micro-angle.The simulation results indicate that the thread struc-tural design of the sucker type pattern is rather rational，and such performances as tension-resistance andcompression-resistance are greatly improved SO that the bionic tire can effectively adsorb 4he ice surfaceand the tire adsorption and anti-skid performances can be guaranted。

Key words：bionics；octopus sucker；tire tread；design；finite element analysis汽车冬季防滑是世界范围研究的热点和难点问题lj。目前，传统的防滑装备主要是采用增大轮胎与路面摩擦阻力的原理来达到防滑效果，在实际中存在防滑效果不够理想、行驶噪声大、对路面和轮胎均有损坏、影响汽车行驶速度等诸多问题 。

仿生轮胎的设计-直以来是解决汽车防滑技术的重要手段。1999年，我国正式将仿生轮胎的研制列为高技术产业化项目，使之成为首批国家级技术创新项目。仿生轮胎主要采用独创的主动破坏水膜、定向自转减振、弹性链式抓接三大技术 以提高汽车的安全行驶性能。

AMC垫型轮胎 模仿猫奔跑中的前爪垫、蜘蛛网的柔顺结构及其稳定性设计，有效提高了轮胎的抓地性能和运行精度，增加了与路面的摩擦力，缩短了制动距离。六角形花纹轮胎 模仿青蛙设计，提高了雪地行车和湿地制动的安全性。Conti PremiumContact仿生轮胎 的胎面模仿豹子的爪印变化(奔跑中爪酉小，止跑时爪印增大 1/3)设计，使汽车行驶时，胎面与路面接触面积较小，制动时，与路面接触面积增大，可极大缩短制动距离，提高行驶稳收稿日期：2012-11-22基金项目：陕西省重点学科建设专项资金资助项目(102-00X903)。

作者简介：周利坤，男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为机械设计及理论。E-mail：zhoulikun89###sohu.com。

周利坤，等：仿章鱼吸盘式轮胎花纹设计与有限元分析 229定性。

本文针对传统防滑链的固有缺陷和冬季冰面防滑的实际工作条件，由章鱼吸盘受启发，通过分析章鱼吸盘结构、排布特征及吸附机理，提取出章鱼吸盘的生物信息，结合仿生学原理，设计-种通过吸盘吸力来实现冰面防滑的仿生轮胎花纹实体模型。

1 仿章鱼吸盘式轮胎模型的建立1.1 仿生轮胎布局模型设计大量研究表明 ]，真空吸盘类似章鱼吸盘，其真空吸附原理类似章鱼吸盘的吸附机理。针对提取的章鱼生物信息，运用仿生学原理和真空吸附原理，结合冰面防滑实际，初步构建三种仿生凹形漏斗吸盘结构模型，即圆锥型吸盘、圆台型吸盘、球缺型吸盘。

结合章鱼吸盘平行或并列规则布局的特点，建立基于仿生单元体的矩形布局或者菱形布局规律的仿生随机轮胎布局模型。矩形布局和菱形布局分别如图1、图2所示。

图1 吸盘矩形布局图Fig.1 Sucker rectangle layout图2 吸盘菱形布局图Fig.2 Sucker diamond layout本文初步选择基于矩形布局规律，以圆锥型吸盘为仿生单元体的仿生随机轮胎布局模型作为研究对象。根据轿车轮胎195/60 R14的胎面尺寸，利用六种不同直径的仿生吸盘设计了-种仿章鱼吸盘式仿生轮胎布局模型。

假设r，h分别代表吸盘的半径和高度；( ，Y )为最靠近坐标原点的吸盘中心点坐标；轮胎展平后矩形的宽度为 b，长度为口；相邻吸盘中心点沿 方向和Y方向的距离分别为z z，；第-点坐标在矩形胎面边沿留-段平面边界区域，设边界的长度为，宽度为f：；基于矩形分布的随机布局中心点坐标为(k ，k )。则其具体布局模型为：J- 音 ， ∈D。

h， 隹 D1(1)其中：D1( ，y)I( - 1-k，l ) (y-Y1-kyl ) ≤1.2)第-点坐标为：(X1 y。 (号-l n-2Z -2rl J zY) (2) L 2Z，， 、任意点坐标为( ，y)( 1后 f ，Y1krZ ) (3)( ， )rand(0，l 半 J]，J) (4)口-2Z：-2r Z 2r>0b-2l；-2r zy 2r>0横、纵向吸盘个数的计算公式为：2I l1 (5)2l j- (6)式中，0、b、z z z：的定义与模型中相同； 、分别为 轴及Y轴方向上吸盘的个数。

轮胎外直径的求解公式 ]：D 25.4dZ2y (7)式中，D为外直径，d为轮毂直径，Z为胎宽， 为扁平比。

具体布局设计为：求出第-点坐标 ( 。，Y )，代入式(3)及式(4)，即可求出任意点坐标 ( .，)。根据式(7)，求得该轮胎的外直径 D589.6 mm，周长L1 851.3 mm，赛似值口1 850 mm，b156 mm(b为普桑3000空载静止于光滑水平路面上的纵向接地宽度)。

1.2 排列布局的具体方法及参数设定吸盘尺寸的选取原则应遵照以下几点：1)必须符合章鱼吸盘中间尺寸大、边缘尺寸小232 西安理工大学学报(2013)第29卷第2期3.2 结果分析1)在力载荷的作用下，吸盘式花纹裙边发生压拉弹性变形，与冰面紧密接触，吸盘式花纹基部承受主要载荷 ，吸盘式花纹边缘所承受载荷的概率比其他部位高。仿生吸盘设计时，基部相对较厚，裙边相对较薄，既可以提高基部的抗冲、压、磨能力，又可以使吸盘式花纹受的载荷均匀分布，延长其使用寿命，同时确保吸盘式花纹与冰面产生有效吸附。

2)从图8～11可知，胎面吸盘式花纹绝大部分与冰面发生有效吸附，可确保提供足够的吸附力，提高汽车在冰面上的防滑能力，胎面两侧边沿的小直径吸盘主要是在汽车转弯时，增大侧向吸附力。

3)本文研究的是固定载荷下吸盘式花纹的受力及有效吸附情况，轮胎运动加载后，吸盘式花纹的弹性变形将变大，更能确保与冰面产生有效吸附，达到良好的防滑效果。

4 结 语针对冬季冰面防滑特点，由章鱼吸盘受启发，运用仿生学原理，详细设计了仿生轮胎布局模型，并通过有限元分析，说明了吸盘式花纹的结构设计比较合理，抗拉、压等性能明显得到提高，且可以与冰面发生有效吸附，能确保轮胎的吸附防滑性能。