绿色轮胎花纹结构的复合仿生机理及结构设计方法研究

The green tire, owning great quality in safety, energy saving and environment friendly, has a higher demand for tire wet grip, wear, rolling resistance, noise, and other performances. However, the most difficulty of enhancing tire performances is tire target conflicts. Research of rubber compound could not break through the difficulty, while the bionic design of tire tread pattern can solve these conflicts in a finite level. This project proposed an idea of tire tread pattern’s multiple bionics design that realizing the grasping and noise reduction mechanism of cat’s paw through the non-smooth, locust’s pad and other structures. The purpose is to realize tire performances properly matching. The main research includes: 1) clarify the relationship between tire target conflicts and tread pattern, and reveal the mechanism of tire target conflicts. 2) Reveal the grasping and noise reduction mechanism of cat’s paw, and put forward bionic physical quantities and its topology. 3) Seeking the multiple bionic method of realizing the biological function of cat’s paw via the non-smooth, locust’s pad and other structures and develop a multiple bionic tread pattern structure model. 4) Study on evaluation method of multiple bionic tread pattern structure models, establish an evaluation system, and develop a multiple bionic tread pattern design theory and method of the green tire. The project will contribute to the research and develop level of China’s green tires.

安全、节能、环保的绿色轮胎对湿抓地、磨损、滚动阻力、抗滑水及滚动噪声等诸多性能提出了更高的要求。然而提升轮胎多性能面临的最大难题是轮胎多性能间不相容性，单纯橡胶配方研究无法突破这一瓶颈，而花纹结构仿生设计可以在一定程度上解决轮胎性能间的不相容性。因此本项目提出一种通过非光滑、蝗虫脚掌等结构仿生，实现家猫脚爪良好静音和抓地生物功能的复合仿生花纹结构设计思想，以协同提升轮胎多性能。研究包括：1）阐明轮胎多性能不相容性与花纹结构关系，揭示轮胎多性能不相容性机理。2）揭示家猫脚爪抓地和静音机理，建立家猫脚爪物理模型，提出仿生参照物理量及拓扑。3）探索通过非光滑、蝗虫脚掌等结构实现家猫脚爪生物功能的花纹结构复合仿生途径，揭示花纹结构复合仿生机理，建立复合仿生花纹结构模型。4）研究复合仿生花纹结构模型评价方法，建立评价体系，形成绿色轮胎花纹结构复合仿生设计理论方法，为提升我国绿色轮胎研发水平做出贡献。

我国提出的绿色轮胎发展理念对轮胎的诸多性能提出更高要求，轮胎的诸多性能间存在尚不明机理的不相容特性，通过轮胎花纹结构的仿生设计有望实现轮胎多性能间的协同提升。因此，研究轮胎诸多性能间的不相容性机理，探索协同提升轮胎不相容性性能间的轮胎仿生设计方法，对于提升我国绿色轮胎研发水平具有重大意义。首先，本项目提出构成轮胎性能不相容性的矛盾对集合（滚阻和抓地，滚阻和磨损，噪声和抓地，等等），通过采用轮胎接地压力毯和VIC-3D全场位移测量系统对样胎进行接地性态试验并获取用于表征轮胎性能的花纹工作状态宏观物理量（接地几何形状、接地面积、接地压力分布，等等）和微观物理量（接地区域橡胶变形、花纹沟变形及其内部流场，等等）特征，利用相关性分析方法对相关物理量与性能间关系进行分析、筛选，寻求表征轮胎性能的高相关性参数，从而通过研究各参数与轮胎性能间的关系来揭示轮胎多性能不相容性的机理；其次，利用生物扫描电镜和电子显微镜设备对家猫爪垫的微观组织结构进行组织学研究，获得其微观组织结构形态等特征。同时，通过Tekscan压力毯和VIC-2D平面位移测量系统对家猫不同步态下的运动特征进行力学分析，获取了其不同步态运动下的爪垫接地几何、接地压力分布、接地变形等信息。进而运用形态学、统计分析等方法，揭示猫爪静音和良好抓地的生物功能实现模式和特征规律；再次，明晰轮胎多性能不相容性的物理特征与解析家猫脚爪生物功能实现物理特征及其拓扑之间的关联关系，提出仿生参照物理量及其拓扑，进行花纹结构的复合仿生设计来实现家猫爪垫良好静音和抓地生物功能在轮胎产品中的等效移植方式。提出一批针对不同型号轮胎产品的花纹结构仿生设计方法，以达到协同提升轮胎性能不相容性矛盾对的目的；最后，研究复合仿生花纹结构设计评价方法，进行仿生轮胎指标体系和评价方法的研究，建立适用于仿生花纹结构设计的仿生效能评价模型，形成绿色轮胎花纹结构复合仿生设计理论方法。