3D打印TPU非充气轮胎在障碍穿越与振动激励下的动态响应

《European Journal of Mechanics - A/Solids》：Dynamic Response of a 3D-Printed TPU Non-Pneumatic Tyre under Obstacle Traversal and Vibratory Excitation

　　

• 将3D打印的TPU非充气轮胎与充气轮胎进行了对比。
• 静态压缩测试显示TPU轮胎具有非线性刚度和力松弛特性。
• 两种轮胎类型在障碍物诱导的峰值加速度方面在统计上相似。
• TPU非充气轮胎在所有激励下均实现了更高的振动衰减。
• 增材制造的TPU轮胎在轻量级越野机动方面显示出潜力。

## 引言

轮毂系统是轻量级移动平台、越野车辆、农业设备、小型拖车和无人地面车辆中的关键部件，轮毂与行驶表面之间的相互作用会影响冲击传递、振动暴露、部件耐久性和载荷保护。在这些应用中，轮毂不仅是滚动元件，也是一种柔顺机械界面，它能在不规则地形输入传递到车架、传感器或运输载荷之前对其进行衰减。这种功能在低速越野操作中尤为重要，因为局部障碍物、重复的表面不规则性和宽带振动会影响机械和电子部件的可靠性。

传统的充气轮胎被广泛使用，因为其充气结构提供了柔顺性、承载能力和振动过滤。然而，其性能严重依赖于充气压力、轮胎几何形状、胎面状况和工作载荷。压力损失、漏气或不适当的充气会改变轮毂的有效刚度，增加滚动阻力，并降低在苛刻环境中的可靠性。这些局限性促使人们对非充气轮胎和轮毂概念产生了越来越大的兴趣，特别是在抗穿刺、低维护需求和可重复机械响应是相关设计要求的领域中。

非充气轮胎和轮毂用结构支撑架构取代了加压空气腔，该架构由辐条、蜂窝状图案、内部环或梯度晶格组成。因此，其机械行为由材料特性和内部几何的组合决定。文献中提出了不同的支撑结构，包括简单辐条、蜂窝和蜂窝状架构、反四手性结构、超常几何形状、梯度图案和仿生解决方案，旨在改善载荷分布、柔顺性和能量吸收（Jin等人，2018；Liu & Xu，2022；Montgomery-Liljeroth等人，2023；Phromjan & Suvanjumrat，2023；Vashi等人，2021；Wu等人，2021；Yang等人，2024；Z. Zhang等人，2021）。米其林Tweel等商业发展也说明了聚合物辐条非充气概念在改善操作鲁棒性和减少充气压力依赖方面的实际相关性（Sardinha等人，2023；?muda & Jackowski，2025）。

增材制造加速了非充气轮毂系统的发展，能够制造复杂的内部架构，而使用传统方法制造这些架构将困难且昂贵。材料挤出增材制造（MEAM）在柔顺轮毂结构的原型制作中尤为吸引人，因为它允许几何设计迭代、局部刚度定制和柔性聚合物的使用。在这些材料中，热塑性聚氨酯（TPU）由于其柔韧性、高可恢复变形、非线性粘弹性/超弹性行为和与FFF工艺的兼容性，已成为一个相关候选材料（Desai等人，2023；Xu等人，2020）。基于TPU的结构可通过材料阻尼和结构变形耗散机械能量，这使其适用于振动缓解和冲击相关应用（Gosar等人，2023；Rizzo等人，2021；Y. S. Zhang等人，2025）。

增材制造的TPU部件的机械响应不仅取决于基材配方，还取决于打印参数，如层高、打印速度、工具路径方向和层间结合。这些因素可能引入各向异性，并改变打印结构的有效刚度、强度和阻尼响应（Martín-Sosa等人，2025）。因此，TPU非充气轮毂的性能不能仅从名义材料特性推断；必须在代表性机械激励下在部件层面进行评估。

有限元分析被广泛用于支持非充气轮毂结构的设计，通过在物理制造前估计变形模式、应力分布、接触响应和承载行为（Abraar等人，2022；Fu等人，2022；Genovese等人，2021；Kim等人，2024；Sun, Zhong等人，2024）。计算建模和结构分析方法对于预测实心轮胎的机械响应是必要的工具。虽然简化的解析公式可以充分捕捉二维几何形状中的面内刚度（Gasmi等人，2012），但具有复杂辐条拓扑的全三维构型需要有限元模拟。然而，高保真度有限元分析涉及高计算成本，特别是在评估多变量设计空间时。为了优化这种计算工作量，实验设计方法如田口方法已被用于细胞结构中的多轴刚度和地面接触分析（Shuai等人，2024；Zheng等人，2022b）。类似地，响应面方法使转向刚度的评估成为可能（Zheng等人，2022a），而分阶段的数值-实验方法在验证服务载荷下的滚动动力学方面已被证明有效（Baranowski等人，2016）。此外，方差分析（ANOVA）被用于建立弹性体微观结构变量和最终机械特性之间的关系（Nu?ez Carrero等人，2022）。

尽管之前的研究报告了非充气轮毂设计中的相关进展，但许多贡献主要集中在静态刚度、数值优化或孤立的结构分析上。较少的研究提供了增材制造的TPU非充气轮毂与常规充气轮毂在等效载荷条件下的受控实验对比。特别是，两种不同动态情况之间的区别仍未得到充分探索：短持续时间障碍物诱导冲击和连续或宽带振动激励。这两种载荷情况由不同的机械机制控制。障碍物穿越主要由接触几何、有效刚度和惯性控制，而振动隔离则更强烈地取决于传递率、阻尼和频率相关的结构响应。

因此，本研究的目的是实验分析由材料挤出增材制造生产的基于TPU的非充气轮毂的静态和动态行为，并将其性能与在等效垂直载荷下的常规充气轮毂进行比较。本研究结合静态压缩测试、有限元建模、障碍物穿越测试和受控振动激励。具体的贡献是：
（i）在相同的载荷和边界条件下，3D打印的TPU非充气轮毂与常规充气轮毂之间的直接实验比较。
（ii）在谐波和宽带激励下障碍物诱导的峰值加速度和振动衰减的综合评估。
（iii）使用有限元建模来支持增材制造轮毂结构中变形模式和应力集中解释。
（iv）实验证据表明，在柔顺非充气轮毂系统中，振动隔离和峰值冲击响应应被视为不同的设计目标。

研究结果旨在支持无漏气柔顺轮毂的工程设计，用于轻量级越野机动，包括移动机器人平台、小型运输系统和振动保护和操作鲁棒性相关的农业设备。

## 轮胎系统和实验概念

评估了两种轮胎配置：一种实验性非充气轮胎（NPT）和一种常规充气轮胎（图1）。充气配置由带有内胎的常规橡胶轮胎组成，外部尺寸为165 × 50 mm，充气压力为30 psi。两种配置使用相同的轮辋和轴承装置；唯一的不同是用非充气轮胎取代了常规充气轮胎。安装系统集成了两个球

## 静态压缩响应和数值变形模式

静态压缩测试揭示了TPU非充气轮毂一致的可重复响应（图8）。当达到规定位移时，测量的力显示初始峰值，随后松弛至准稳态值。在2 mm位移下，力从大约60 N降至50 N。在4 mm下，力从130 N降至110 N。在6 mm下，力从230 N降至190 N，在8 mm下，力从330 N降至270 N。这种峰值然后松弛的行为是

## 讨论

结果表明，TPU非充气轮毂和充气轮毂在离散障碍物穿越期间表现出可比的峰值加速度响应，但在连续和宽带振动激励下表现出明显不同的行为。这一区别很重要，因为障碍物诱导的冲击和振动隔离由不同的动态机制控制。峰值冲击响应主要受接触几何、前进速度、全局有效刚度和惯性影响

## 结论

本研究在静态压缩、障碍物穿越和受控振动激励下对3D打印的TPU非充气轮毂进行了受控的实验和数值评估。轮毂在等效垂直载荷和边界条件下与常规充气轮毂进行了比较。静态压缩测试显示了具有峰值载荷后力松弛的时间依赖响应，与TPU的粘弹性和渐进式应力重新分布

## CRediT作者贡献声明

Bruno Bernardi：写作 – 审阅与编辑。Matteo Sbaglia：调查研究。Pedro Sánchez-Cachinero：写作 – 初稿，形式分析。Rafael R Sola-Guirado：写作 – 审阅与编辑，项目管理，方法论，概念化

## 未引用参考文献

Al-Baghdadi等人，2021；Al-Dairi等人，2022；Alkadi等人，2019；Angelucci等人，2025；Bashford等人，1993；Dezianian和Azadi，2023；Jafferson和Sharma，2021；Mattetti等人，2020；Nguyen等人，2022；Rivlin，1948；Sun等人，2024；ten Damme等人，2019；Torrente-Prato等人，2026；Zoz和Grisso，2003。

## 利益冲突

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

## 资金

这项工作得到了安达卢西亚自治区大学、研究与创新厅的支持[DGP_PIDI_2024_01169，Logística Avanzada de Fruta Cosechada (Loadfru) "采收水果的高级物流"]。

## 利益冲突声明

? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：
Rafael R. Sola Guirado报告收到科尔多瓦大学提供的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

Pedro Sánchez-Cachinero | Matteo Sbaglia | Bruno Bernardi | Rafael R. Sola-Guirado