基于数字孪生的非充气轮胎热机械耐久性预测：采用减材制造技术制备的缩比试样

《Polymer》：Digital Twin Based Thermo-mechanical Durability Prediction of Scaled Specimens of Non-pneumatic Tires Fabricated via Subtractive Manufacturing

本研究提出一种数字孪生框架用于评估非气动轮胎（NPT）的耐久性，结合热-力耦合效应与材料特性分析，通过3D打印制造 scaled NPT 标本并进行滚动测试验证。结果表明，在考虑的热力学耦合条件下，预测误差小于3%，准确识别疲劳失效位置，验证了多物理场耦合在NPT耐久性评估中的关键作用。

　　

作者：郭博超、姚宁、刘军、卢波、卢永来、李繁竹

北京化工大学材料科学与工程学院，中国北京100029

摘要

非充气轮胎（NPTs）消除了传统充气轮胎可能导致的爆胎风险，有效提高了轮胎在复杂或极端使用条件下的耐用性和车辆可靠性。本研究提出了一种数字孪生框架，用于评估缩比NPT样品的耐用性，旨在支持材料-结构的综合优化。设计了一种结合蜂窝结构和辐条特性的新型NPT结构，并建立了一种热机械疲劳寿命预测方法。系统地表征了聚氨酯（PU）弹性体的机械行为、粘弹性自加热特性和疲劳性能。使用减材制造技术制备了缩比NPT样品，并进行了滚动耐久性测试以验证所提出的方法。本研究的主要目的是揭示热机械耦合对缩比NPT样品疲劳寿命预测的显著影响，以及其在通过数值模拟和实验验证提高预测精度方面的作用。结果表明，在本研究考虑的滚动条件下，缩比样品的表面温度预测误差小于3%。基于高精度的机械分析和热生成模拟，预测的耐用性结果与传统忽略热机械耦合的方法相比呈现相反趋势，同时准确识别了疲劳失效位置，预测的疲劳寿命落在实验数据范围内。研究结果证实了多物理耦合在NPT耐用性评估中的关键作用。本研究为长寿命NPT的优化设计提供了理论和方法支持。

引言

传统充气轮胎在汽车行业中仍占主导地位，然而，它们容易发生漏气和爆胎，这对车辆的安全性和可靠性构成了持续挑战[1]、[2]、[3]。此外，由于这些故障而产生的大量废弃轮胎对可持续发展构成了重大障碍[4]、[5]。非充气轮胎（NPTs）用弹性辐条结构替代了充气腔，具有抗穿刺和免维护操作等优点，从而降低了维护成本，并已在极端使用条件下得到广泛应用。与充气轮胎相比，NPTs的垂直刚度、横向刚度和扭转刚度与地面接触压力之间呈解耦关系[7]。其结构设计具有极大的灵活性，使NPTs成为未来汽车轮胎发展的一个有前景的方向[8]。

NPTs的主要组成部分，如弹性辐条结构、剪切带和胎面，主要由弹性体制成。由于弹性体的固有粘弹性，在负载滚动过程中通常会发生显著的滞后热积累，这反过来又会影响材料的机械性能和疲劳抵抗力。因此，在服务过程中实现低热生成和高耐用性——尤其是在高速和重载条件下——仍然是NPTs工程应用的核心挑战。基于热机械疲劳寿命预测的材料-结构综合优化可以成为高效开发高性能NPTs的有效方法，显著减少制造周期和迭代成本。热机械模拟方法已广泛应用于各种弹性体产品的结构设计和材料开发。Mars等人[9]采用数字孪生驱动的方法，准确预测了Abrams坦克轨道系统在服役条件下的衬垫自加热行为和疲劳寿命分布，有效支持了虚拟设计验证，并大幅减少了对昂贵物理认证测试的依赖。Li等人[10]开发了一种热机械模拟方法，能够预测固体橡胶轮胎的瞬态温度分布和滚动阻力，为高性能、低油耗轮胎的材料设计和优化提供了可靠的理论工具。Wang等人[11]通过将模拟分析与实验验证相结合，提出了一种新的重型卡车橡胶轴承热机械疲劳寿命评估标准，通过多参数结构优化使使用寿命提高了两倍以上。这些研究为NPTs的集成材料-结构优化设计应用奠定了坚实基础。

聚氨酯（PU）弹性体具有独特的性能组合，包括高刚性、大变形能力、低热积累和优异的疲劳抵抗力，在NPTs的弹性辐条结构中显示出显著的应用潜力。PU弹性体已被国际知名轮胎公司（如米其林[1]）成功应用于NPT产品的开发和制造。此外，PU具有可回收性，符合绿色和可持续发展的原则[12]。Ju等人[6]、[13]使用PU弹性体作为六边形蜂窝结构和多孔纤维增强复合剪切带的基体材料，可以有效降低NPTs的滚动阻力和能量损失，并改善NPTs与路面之间的接触压力分布。Veeramurthy等人[14]对辐条和剪切带的结构-材料配置进行了参数研究，发现提高PU弹性体的剪切模量可以在垂直刚度和接触压力约束下抑制剪切变形并降低NPTs的滚动阻力。Liu等人[15]设计并分析了一种高负载能力的NPT，使用热固性PU作为胎面材料，该材料在使用寿命后可以研磨并重新用作填充物，表现出良好的可持续性。NPTs中热机械模拟的应用依赖于对PU弹性体的机械、热和疲劳性能的系统性表征，以及对材料参数的高精度拟合。与传统硫化橡胶相比，对PU弹性体性能的系统性表征报道较少。

全尺寸NPTs的制造和性能测试成本高昂，可以使用缩比样品进行设计迭代以探索结构模式并验证性能。NPTs的辐条结构通常很复杂，缩放后最小特征尺寸变小，使得制造更加具有挑战性。等材料制造方法（如铸造或注塑）理论上可以形成复杂结构，但固化前的聚氨酯（CPU）粘度极高，使得完全填充模具困难且难以避免内部缺陷。增材制造技术，特别是3D打印，提供了高的设计灵活性和制造效率，并可以提高结构精度；然而，通过熔融沉积建模（FDM）制造的产品往往含有层间孔隙，导致宏观性能与材料内在属性之间的不一致[16]、[17]、[18]。相比之下，使用计算机数控切割的减材制造提供了一种创新方法，可以在保持材料均匀性的同时实现复杂结构的高精度制造。这种加工方法通常用于金属制造，但由于弹性体硬度普遍较低，其在橡胶加工中的应用很少有报道。在本研究中，CPU的高硬度使得可以使用减材制造方法制造NPTs。

本研究采用了一种新型NPT结构，结合了两种经典配置：内部蜂窝层和外部辐条层，其中蜂窝层提供高承载能力，辐条层促进应力均匀分布并减少滚动引起的热积累。系统地表征了两种类型PU弹性体的机械、热和疲劳性能。使用减材制造技术，从实心PU轮毂制备了新NPT结构的缩比样品，并进行了带有红外热成像监测的滚动测试。建立了一种数字孪生驱动的模拟方法，用于预测NPTs缩比样品的滚动热生成和热机械疲劳寿命。实验结果与模拟结果的比较验证了模拟方法的准确性以及热机械耦合在橡胶疲劳预测中的重要性。

材料制备

材料制备

本研究中使用的两种CPU是通过两种二异氰酸酯单体——1,5-萘二异氰酸酯（NDI）和对苯二异氰酸酯（PPDI）与分子量为1000 g/mol的聚己内酯（PCL）预聚反应合成的，随后使用1,4-丁二醇（BDO）和三甲基羟丙烷（TMP）的混合物进行链延伸。NDI由中国徐州亿汇阳新材料有限公司提供，PPDI来自上海麦克林生物科技有限公司。

数字孪生框架

图4展示了NPTs缩比样品滚动疲劳预测的数字孪生框架。首先，根据缩比样品的几何模型、超弹性本构模型和边界条件计算材料的应力-应变历史。从几何模型生成高质量网格，然后通过机械性能表征并在MATLAB中通过拟合和筛选选择最佳的超弹性本构模型。

NPTs缩比样品的径向刚度测试结果和机械模拟

图8(a)和(b)展示了由不同PU弹性体制成的NPTs缩比样品的刚度测试示意图和刚度曲线。当样品总共压缩4毫米时，相对于一侧的轮毂位移为2毫米。由于PU-HARD的硬度高于PU-SOFT，因此由PU-HARD制成的NPTs缩比样品表现出更高的刚度。

NPTs缩比样品的几何模型是基于图2所示的制造结构建立的。

结论

• (1)
  系统地表征了两种PU弹性体的机械、热和疲劳性能。采用了基于超弹性本构模型、幂律自加热模型和Thomas疲劳裂纹扩展模型的参数化方法。结合基于I Sight的逆向优化，这些模型被应用于后续的多物理耦合模拟研究中。
• (2)
  提出了一种具有蜂窝和辐条特性的新型NPT结构。制备了

CRediT作者贡献声明

李繁竹：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法论、资金获取、形式分析、概念化。卢永来：撰写——审稿与编辑、监督、调查。卢波：验证、资源管理。刘军：验证、形式分析。姚宁：可视化、数据管理。郭博超：撰写——初稿、调查、形式分析、数据管理

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52473228）的支持。作者声明他们没有利益冲突。