基于FSI方法的輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲特性與影響因素研究一、引言1.1研究背景與意義隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展和汽車保有量的持續(xù)攀升，汽車噪聲已逐漸演變?yōu)槌鞘械闹饕肼曉粗?。?jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，汽車所產(chǎn)生的噪音在城市噪音中所占比例高達(dá)85%，對(duì)人們的生活質(zhì)量和身體健康造成了嚴(yán)重影響。汽車噪聲源涵蓋動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及輪胎/路面等多個(gè)部分。當(dāng)乘用車速度達(dá)到40km/h，商用車速度超過(guò)70km/h時(shí)，輪胎噪聲便會(huì)凸顯出來(lái)，成為車輛噪聲的主要來(lái)源。輪胎噪聲主要由輪胎振動(dòng)噪聲和花紋溝泵吸噪聲兩部分構(gòu)成。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于輪胎振動(dòng)噪聲的研究已相對(duì)成熟，但隨著各國(guó)對(duì)汽車噪聲的限制愈發(fā)嚴(yán)格，輪胎花紋溝泵吸噪聲受到了越來(lái)越多的關(guān)注，逐漸成為研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。其中，輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲是由于輪胎胎面花紋與路面之間的相互作用，以及空氣與胎面之間的相互作用而產(chǎn)生的。輪胎胎面花紋的形狀、深度等因素會(huì)顯著影響輪胎與路面之間的接觸狀況，進(jìn)而對(duì)噪聲大小產(chǎn)生作用。對(duì)于橫向花紋而言，其朝向與旋轉(zhuǎn)方向垂直，雖然能夠增加胎紋與路面的摩擦力，提升輪胎的防滑性能，但同時(shí)也會(huì)引發(fā)泵吸噪聲。在高速行駛時(shí)，輪胎與路面之間的空氣被快速壓縮和釋放，形成壓力波，從而產(chǎn)生泵吸噪聲。這種噪聲不僅會(huì)降低車內(nèi)乘客的舒適性，還會(huì)對(duì)車外環(huán)境造成噪聲污染。研究輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲，對(duì)于降低輪胎噪聲、提升汽車的NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）性能具有重要意義。通過(guò)深入探究泵吸噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素，可以為輪胎的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，從而開發(fā)出低噪聲的輪胎產(chǎn)品。這不僅有助于提高汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，還能為人們創(chuàng)造一個(gè)更加安靜、舒適的出行環(huán)境，對(duì)推動(dòng)汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀輪胎噪聲的研究一直是汽車領(lǐng)域的重要課題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面開展了大量的研究工作。國(guó)外在輪胎噪聲研究領(lǐng)域起步較早，技術(shù)和理論相對(duì)成熟。上世紀(jì)80年代，美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家就已開始深入研究輪胎噪聲。像美國(guó)的米其林、固特異，德國(guó)的馬牌，日本的普利司通等知名輪胎制造商，都組建了專業(yè)的噪聲研究團(tuán)隊(duì)，投入大量資源進(jìn)行研究與試驗(yàn)。他們通過(guò)不斷優(yōu)化輪胎設(shè)計(jì)與制造工藝，在降噪技術(shù)上取得了顯著成果。例如，米其林研發(fā)的某款輪胎，通過(guò)特殊的花紋設(shè)計(jì)和橡膠配方，有效降低了輪胎在高速行駛時(shí)的噪聲，提升了駕乘的舒適性。在輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的研究上，國(guó)外學(xué)者運(yùn)用多種先進(jìn)技術(shù)手段進(jìn)行探索。部分學(xué)者借助高精度的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)輪胎花紋溝與空氣的相互作用進(jìn)行細(xì)致觀察和測(cè)量，獲取了大量關(guān)于泵吸噪聲產(chǎn)生和傳播的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。還有學(xué)者利用數(shù)值模擬方法，建立復(fù)雜的輪胎-路面-空氣耦合模型，深入分析不同因素對(duì)泵吸噪聲的影響規(guī)律。通過(guò)這些研究，明確了花紋溝的形狀、尺寸，以及輪胎的行駛速度、載荷等因素與泵吸噪聲之間的定量關(guān)系，為輪胎的低噪聲設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。國(guó)內(nèi)對(duì)于輪胎噪聲的研究起步相對(duì)較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速。眾多高校和科研機(jī)構(gòu)，如同濟(jì)大學(xué)、華南理工大學(xué)、中國(guó)汽車技術(shù)研究中心等，紛紛加大在該領(lǐng)域的研究投入，組建專業(yè)團(tuán)隊(duì)，引進(jìn)先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備和分析軟件，開展了一系列富有成效的研究工作。同濟(jì)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同花紋溝形狀和深度對(duì)輪胎噪聲的影響，提出了一些優(yōu)化花紋設(shè)計(jì)的建議。華南理工大學(xué)則利用數(shù)值模擬方法，研究了輪胎在不同工況下的噪聲特性，為輪胎的降噪設(shè)計(jì)提供了理論支持。在橫向花紋溝泵吸噪聲研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者也取得了不少成果。有學(xué)者通過(guò)建立單個(gè)橫向花紋溝-空氣的耦合模型，利用FSI方法模擬花紋溝泵吸現(xiàn)象，并結(jié)合流場(chǎng)壓力信息進(jìn)行氣動(dòng)噪聲分析，研究了花紋溝長(zhǎng)度、寬度、深度等幾何因素以及速度、氣壓、載荷等使用因素對(duì)泵吸噪聲的影響。還有學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，為進(jìn)一步優(yōu)化輪胎設(shè)計(jì)提供了實(shí)踐依據(jù)。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者還在探索新的降噪方法和技術(shù)，如在花紋溝旁添加特殊結(jié)構(gòu)，改變花紋溝壁的光滑度等，以降低泵吸噪聲。在研究方法上，國(guó)內(nèi)外普遍采用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬以及二者相結(jié)合的方式。實(shí)驗(yàn)研究能夠直接獲取輪胎噪聲的相關(guān)數(shù)據(jù)，真實(shí)反映輪胎在實(shí)際工況下的噪聲特性，但實(shí)驗(yàn)成本較高，且受到實(shí)驗(yàn)條件的限制。數(shù)值模擬則具有成本低、周期短、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜工況進(jìn)行模擬分析，但模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。因此，將實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合，相互補(bǔ)充和驗(yàn)證，已成為輪胎噪聲研究的主要方法。在研究?jī)?nèi)容上，早期的研究主要集中在輪胎花紋幾何形狀對(duì)噪聲的影響，通過(guò)改變花紋節(jié)距大小和比例、排列組合等方式來(lái)降低噪聲。隨著研究的深入，學(xué)者們逐漸認(rèn)識(shí)到輪胎噪聲是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題，涉及輪胎結(jié)構(gòu)、材料特性、行駛工況、路面條件等多個(gè)因素。因此，近年來(lái)的研究?jī)?nèi)容更加全面和深入，不僅關(guān)注花紋幾何形狀的優(yōu)化，還對(duì)輪胎材料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、輪胎與路面的相互作用等方面進(jìn)行了研究，同時(shí)也考慮了不同使用條件和環(huán)境因素對(duì)輪胎噪聲的影響。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究以輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲為核心，運(yùn)用FSI方法展開全面深入的探究，旨在揭示其產(chǎn)生機(jī)理、明確影響因素，并探索有效的降噪措施。在研究?jī)?nèi)容上，首先深入剖析輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的產(chǎn)生機(jī)理。通過(guò)建立輪胎與路面接觸的物理模型，結(jié)合流固耦合理論，細(xì)致分析輪胎滾動(dòng)過(guò)程中，橫向花紋溝內(nèi)空氣的流動(dòng)特性以及與花紋溝壁的相互作用機(jī)制。研究輪胎接地時(shí)，花紋溝的變形情況如何引發(fā)空氣的壓縮與膨脹，進(jìn)而產(chǎn)生壓力波形成泵吸噪聲的過(guò)程，為后續(xù)研究奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。其次，系統(tǒng)研究影響輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的因素。從花紋溝的幾何因素入手，如花紋溝的長(zhǎng)度、寬度、深度、形狀等，探究它們對(duì)泵吸噪聲的影響規(guī)律。通過(guò)改變這些幾何參數(shù)，利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，分析噪聲的變化趨勢(shì)，明確各幾何因素與泵吸噪聲之間的定量關(guān)系。同時(shí)，考慮輪胎的使用因素，如行駛速度、氣壓、載荷、胎面膠料特性、摩擦系數(shù)等，研究這些因素在不同工況下對(duì)泵吸噪聲的影響。分析行駛速度的變化如何改變空氣的流動(dòng)速度和壓力分布，進(jìn)而影響泵吸噪聲的大??；探討氣壓、載荷的變化對(duì)輪胎變形和花紋溝內(nèi)空氣狀態(tài)的影響，以及它們與泵吸噪聲之間的關(guān)聯(lián)；研究胎面膠料特性和摩擦系數(shù)的改變?nèi)绾斡绊戄喬ヅc路面的相互作用，從而對(duì)泵吸噪聲產(chǎn)生作用。最后，積極探索降低輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的措施?；趯?duì)產(chǎn)生機(jī)理和影響因素的研究，從花紋溝的設(shè)計(jì)優(yōu)化、輪胎材料的選擇以及附加結(jié)構(gòu)的應(yīng)用等方面入手。在花紋溝設(shè)計(jì)優(yōu)化方面，嘗試設(shè)計(jì)新型的花紋溝形狀和排列方式，以改變空氣的流動(dòng)路徑和壓力分布，降低泵吸噪聲。研究不同形狀的花紋溝，如梯形、弧形、鋸齒形等，對(duì)噪聲的影響效果，尋找最優(yōu)的花紋溝設(shè)計(jì)方案。在輪胎材料選擇方面，研究新型的低噪聲輪胎材料，如具有特殊阻尼性能的橡膠材料，通過(guò)改變材料的物理特性，減少輪胎的振動(dòng)和噪聲輻射。探索材料的硬度、彈性模量等參數(shù)對(duì)噪聲的影響，開發(fā)出更適合降低泵吸噪聲的輪胎材料。在附加結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面，考慮在花紋溝旁添加特殊結(jié)構(gòu)，如赫姆霍茲共振器、HQ管、非光滑結(jié)構(gòu)等，利用這些結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性，對(duì)噪聲進(jìn)行吸收、反射或干涉，從而達(dá)到降噪的目的。研究不同附加結(jié)構(gòu)的參數(shù)，如尺寸、形狀、位置等，對(duì)降噪效果的影響，優(yōu)化附加結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在研究方法上，采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式。在數(shù)值模擬方面，運(yùn)用專業(yè)的多物理場(chǎng)仿真軟件，如ANSYS、COMSOL等，建立輪胎橫向花紋溝-空氣的耦合模型。利用有限元法對(duì)輪胎結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理，利用有限體積法對(duì)空氣流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)流固耦合的數(shù)值求解。通過(guò)對(duì)模型施加不同的邊界條件和載荷，模擬輪胎在不同工況下的滾動(dòng)過(guò)程，獲取花紋溝內(nèi)空氣的壓力、速度、密度等參數(shù)的變化情況，進(jìn)而分析泵吸噪聲的產(chǎn)生和傳播特性。在實(shí)驗(yàn)研究方面，搭建輪胎噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用先進(jìn)的聲學(xué)測(cè)量設(shè)備，如麥克風(fēng)陣列、聲級(jí)計(jì)等，對(duì)輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲進(jìn)行測(cè)量。設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案，改變輪胎的花紋溝幾何參數(shù)、使用條件等，測(cè)量相應(yīng)的噪聲數(shù)據(jù)，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，不僅可以驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，還能獲取實(shí)際工況下的噪聲數(shù)據(jù)，為理論研究和工程應(yīng)用提供有力支持。二、FSI方法與輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲原理2.1FSI方法介紹FSI，即Fluid-StructureInteraction的縮寫，意為流固耦合，是一種將結(jié)構(gòu)與流體問題聯(lián)合求解的方法。在許多實(shí)際工程問題中，流體和固體之間存在著強(qiáng)烈的相互作用，這種相互作用不能被忽視。例如在航空航天領(lǐng)域，飛行器在飛行過(guò)程中，機(jī)翼與周圍空氣之間存在復(fù)雜的相互作用，空氣的流動(dòng)會(huì)對(duì)機(jī)翼產(chǎn)生氣動(dòng)力，導(dǎo)致機(jī)翼發(fā)生變形，而機(jī)翼的變形又會(huì)反過(guò)來(lái)影響周圍空氣的流動(dòng)狀態(tài)；在生物醫(yī)學(xué)工程中，血液在血管中的流動(dòng)與血管壁之間也存在著流固耦合現(xiàn)象，血液的流動(dòng)會(huì)對(duì)血管壁產(chǎn)生壓力和剪切力，血管壁的彈性變形也會(huì)影響血液的流動(dòng)特性。FSI方法正是為了解決這類多物理場(chǎng)耦合問題而發(fā)展起來(lái)的。其基本原理建立在瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方程和Navier-Stokes方程的基礎(chǔ)上。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方程用于描述固體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和變形，它考慮了結(jié)構(gòu)的慣性力、阻尼力和外力的作用。Navier-Stokes方程則用于描述流體的流動(dòng)，包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。連續(xù)性方程反映了流體質(zhì)量守恒的特性，即單位時(shí)間內(nèi)流入和流出控制體的流體質(zhì)量相等；動(dòng)量方程描述了流體動(dòng)量的變化與作用在流體上的力之間的關(guān)系，包括壓力梯度力、粘性力和慣性力等；能量方程則考慮了流體的能量守恒，包括內(nèi)能、動(dòng)能和熱能等。在數(shù)值求解過(guò)程中，F(xiàn)SI方法通常結(jié)合有限元法（FEM）和有限體積法（FVM）。有限元法是將連續(xù)的求解域離散為有限個(gè)單元的組合體，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行分析，得到整個(gè)求解域的近似解。在固體結(jié)構(gòu)分析中，有限元法將結(jié)構(gòu)離散為節(jié)點(diǎn)和單元，通過(guò)求解節(jié)點(diǎn)的位移和應(yīng)力，得到結(jié)構(gòu)的變形和受力情況。有限體積法是將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列控制體積，將守恒方程對(duì)控制體積積分，從而得到離散的方程組進(jìn)行求解。在流體分析中，有限體積法將流體域劃分為控制體積，通過(guò)求解控制體積內(nèi)的壓力、速度等變量，得到流體的流動(dòng)特性。在輪胎噪聲研究中，F(xiàn)SI方法具有顯著的優(yōu)勢(shì)。輪胎在滾動(dòng)過(guò)程中，其橫向花紋溝與路面之間存在復(fù)雜的相互作用，花紋溝內(nèi)的空氣流動(dòng)與花紋溝壁的變形相互影響，這種流固耦合現(xiàn)象對(duì)輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的產(chǎn)生和傳播起著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的研究方法往往將輪胎結(jié)構(gòu)和空氣流動(dòng)分開考慮，無(wú)法準(zhǔn)確描述這種相互作用。而FSI方法能夠同時(shí)考慮輪胎結(jié)構(gòu)和空氣流場(chǎng)的相互影響，更加真實(shí)地模擬輪胎滾動(dòng)過(guò)程中的物理現(xiàn)象，從而為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和分析輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲提供了有力的工具。通過(guò)FSI方法，可以獲取花紋溝內(nèi)空氣的壓力、速度、密度等參數(shù)的變化情況，以及花紋溝壁的變形和應(yīng)力分布，進(jìn)而深入研究泵吸噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素。2.2輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲原理輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，其根源在于輪胎與路面接觸時(shí)的動(dòng)態(tài)相互作用。當(dāng)輪胎在路面上滾動(dòng)時(shí)，輪胎與路面之間形成了一個(gè)特殊的接觸區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，輪胎的橫向花紋溝與路面緊密貼合，花紋溝內(nèi)的空氣受到輪胎與路面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，經(jīng)歷著復(fù)雜的壓縮和釋放過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)輪胎的橫向花紋溝開始與路面接觸時(shí)，隨著接觸面積的逐漸增大，花紋溝內(nèi)的空氣被快速擠壓。輪胎的滾動(dòng)速度越快，這種擠壓作用就越迅速。在這個(gè)過(guò)程中，空氣的體積被壓縮，壓力急劇升高。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT（其中p為壓強(qiáng)，V為體積，n為物質(zhì)的量，R為普適氣體常量，T為溫度），在一定的溫度下，空氣體積的減小會(huì)導(dǎo)致壓強(qiáng)的增大。這種突然升高的壓力在花紋溝內(nèi)形成了一個(gè)高壓區(qū)域。隨著輪胎的繼續(xù)滾動(dòng)，花紋溝與路面的接觸逐漸分離，花紋溝內(nèi)被壓縮的空氣迅速膨脹，壓力急劇下降，形成一個(gè)低壓區(qū)域。這個(gè)過(guò)程類似于一個(gè)泵的工作原理，不斷地將空氣吸入和擠出花紋溝，因此被稱為泵吸現(xiàn)象。這種周期性的空氣壓縮和釋放過(guò)程，產(chǎn)生了壓力波，這些壓力波以聲波的形式向周圍傳播，從而形成了泵吸噪聲。從微觀角度來(lái)看，空氣分子在花紋溝內(nèi)的運(yùn)動(dòng)也對(duì)泵吸噪聲的產(chǎn)生有重要影響。在空氣被壓縮時(shí)，分子間的距離減小，分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子之間的碰撞更加頻繁。這些頻繁的碰撞使得空氣分子具有更高的動(dòng)能，從而產(chǎn)生了更高的壓力。當(dāng)空氣膨脹時(shí)，分子間的距離增大，分子的熱運(yùn)動(dòng)減弱，壓力隨之降低。這種分子層面的運(yùn)動(dòng)變化導(dǎo)致了壓力的波動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生了噪聲。此外，輪胎的彈性變形在泵吸噪聲產(chǎn)生過(guò)程中也起著重要作用。輪胎在滾動(dòng)時(shí)，由于受到路面的作用力，會(huì)發(fā)生彈性變形。這種變形不僅改變了花紋溝的形狀和體積，還影響了花紋溝內(nèi)空氣的流動(dòng)特性。當(dāng)輪胎與路面接觸時(shí)，花紋溝壁會(huì)發(fā)生向內(nèi)的變形，進(jìn)一步壓縮花紋溝內(nèi)的空氣；當(dāng)接觸分離時(shí)，花紋溝壁又會(huì)恢復(fù)原狀，使空氣膨脹。這種花紋溝壁的彈性變形與空氣的壓縮和釋放過(guò)程相互耦合，加劇了壓力波的產(chǎn)生，從而增大了泵吸噪聲。三、基于FSI方法的研究模型建立3.1輪胎滾動(dòng)模型建立為了深入研究輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲，利用有限元分析軟件Abaqus構(gòu)建具有橫向花紋溝的輪胎滾動(dòng)有限元模型，該模型能夠較為真實(shí)地模擬輪胎在實(shí)際路面上的滾動(dòng)狀態(tài)。在模型構(gòu)建過(guò)程中，首先進(jìn)行輪胎幾何模型的創(chuàng)建。輪胎是一個(gè)復(fù)雜的橡膠-簾線復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其幾何形狀對(duì)輪胎的力學(xué)性能和噪聲特性有著重要影響。通過(guò)對(duì)實(shí)際輪胎的精確測(cè)量和數(shù)據(jù)采集，獲取輪胎的輪廓尺寸、花紋溝形狀、深度、寬度等關(guān)鍵幾何參數(shù)。利用Abaqus強(qiáng)大的幾何建模功能，按照實(shí)際尺寸和形狀構(gòu)建輪胎的三維幾何模型。在建模過(guò)程中，對(duì)輪胎的各個(gè)部分，如胎面、胎側(cè)、胎圈、帶束層等進(jìn)行詳細(xì)的描述，確保模型的幾何精度。對(duì)于橫向花紋溝，采用精確的曲面建模技術(shù)，準(zhǔn)確再現(xiàn)其復(fù)雜的幾何形狀，包括花紋溝的截面形狀（如矩形、梯形、弧形等）、花紋溝的排列方式（如等間距排列、變間距排列等）。接著進(jìn)行材料參數(shù)的設(shè)定。輪胎由多種材料組成，不同材料具有不同的物理性能。橡膠是輪胎的主要組成材料，具有高彈性、粘彈性等特性。在Abaqus中，選擇合適的橡膠本構(gòu)模型來(lái)描述橡膠的力學(xué)行為。常用的橡膠本構(gòu)模型有Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型等，這些模型能夠較好地反映橡膠在大變形下的力學(xué)特性。根據(jù)實(shí)際橡膠材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定模型中的材料參數(shù)，如彈性模量、泊松比、密度等。對(duì)于簾線材料，考慮其高強(qiáng)度、低伸長(zhǎng)率的特點(diǎn)，采用合適的材料模型進(jìn)行模擬。簾線在輪胎中起到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用，其力學(xué)性能對(duì)輪胎的整體性能有重要影響。在模型中，通過(guò)設(shè)定簾線的方向、間距、截面積等參數(shù)，準(zhǔn)確模擬簾線與橡膠之間的相互作用。隨后是網(wǎng)格劃分。合理的網(wǎng)格劃分對(duì)于保證計(jì)算精度和計(jì)算效率至關(guān)重要。在Abaqus中，針對(duì)輪胎模型的不同部分，采用不同類型的網(wǎng)格單元。對(duì)于輪胎的主體結(jié)構(gòu)，如胎面、胎側(cè)等，采用三維實(shí)體單元，如C3D8R單元，這種單元具有較好的計(jì)算精度和穩(wěn)定性。對(duì)于花紋溝等細(xì)節(jié)部分，由于其幾何形狀復(fù)雜，為了準(zhǔn)確捕捉其流固耦合特性，采用更為精細(xì)的網(wǎng)格劃分。在花紋溝區(qū)域，適當(dāng)減小單元尺寸，增加單元數(shù)量，以提高對(duì)花紋溝內(nèi)空氣流動(dòng)和結(jié)構(gòu)變形的模擬精度。同時(shí)，為了避免網(wǎng)格畸變對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)可能出現(xiàn)大變形的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化，確保網(wǎng)格的質(zhì)量。在輪胎與路面接觸區(qū)域，采用接觸單元來(lái)模擬輪胎與路面之間的相互作用。接觸單元能夠準(zhǔn)確描述輪胎與路面之間的接觸力、摩擦力等物理量，為模擬輪胎的滾動(dòng)過(guò)程提供了重要支持。最后進(jìn)行邊界條件和載荷的施加。在模擬輪胎滾動(dòng)時(shí)，將路面簡(jiǎn)化為剛性平面，賦予其相應(yīng)的材料屬性。在Abaqus中，通過(guò)定義輪胎與路面之間的接觸對(duì)，設(shè)置接觸屬性，如摩擦系數(shù)、接觸剛度等，來(lái)模擬輪胎與路面之間的摩擦和接觸行為。摩擦系數(shù)的取值根據(jù)實(shí)際輪胎與路面的材料特性和工況條件確定，一般取值范圍在0.5-1.0之間。接觸剛度則根據(jù)輪胎和路面的材料剛度以及接觸狀態(tài)進(jìn)行合理設(shè)置，以保證接觸模擬的準(zhǔn)確性。在輪胎輪輞處施加約束，限制輪胎在垂直方向和側(cè)向的位移，同時(shí)賦予輪胎一定的轉(zhuǎn)速，模擬其實(shí)際滾動(dòng)狀態(tài)。轉(zhuǎn)速的大小根據(jù)實(shí)際行駛速度進(jìn)行換算，例如，當(dāng)輪胎實(shí)際行駛速度為60km/h時(shí)，根據(jù)輪胎的半徑和周長(zhǎng)，計(jì)算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，并在模型中施加該轉(zhuǎn)速。此外，還需要考慮輪胎的充氣壓力和載荷。將輪胎的充氣壓力等效為內(nèi)部壓力施加在輪胎內(nèi)表面，根據(jù)輪胎的額定載荷，在輪胎上施加相應(yīng)的垂直載荷，以模擬輪胎在實(shí)際使用中的受力情況。通過(guò)合理施加邊界條件和載荷，使輪胎滾動(dòng)模型能夠真實(shí)地反映輪胎在實(shí)際工況下的力學(xué)行為和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。3.2單個(gè)橫向花紋溝-空氣耦合模型建立從上述建立的輪胎滾動(dòng)模型中，提取花紋溝位移信息。在輪胎滾動(dòng)過(guò)程中，花紋溝的位移隨時(shí)間和位置不斷變化，通過(guò)Abaqus的后處理功能，能夠精確獲取花紋溝表面節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻的位移數(shù)據(jù)。這些位移數(shù)據(jù)反映了花紋溝在與路面接觸過(guò)程中的變形情況，是建立單個(gè)橫向花紋溝-空氣耦合模型的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)。利用CFD軟件Fluent建立單個(gè)橫向花紋溝及其周圍空氣域的耦合模型。在建模過(guò)程中，充分考慮輪胎的實(shí)際工作環(huán)境和物理特性。首先，精確構(gòu)建單個(gè)橫向花紋溝的幾何模型，確保其形狀、尺寸與實(shí)際輪胎的橫向花紋溝一致。根據(jù)實(shí)際輪胎的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)定花紋溝的長(zhǎng)度、寬度、深度等關(guān)鍵尺寸。例如，某輪胎橫向花紋溝的長(zhǎng)度為50mm，寬度為8mm，深度為4mm，在模型中嚴(yán)格按照這些尺寸進(jìn)行構(gòu)建。接著，合理設(shè)置周圍空氣域的尺寸。空氣域的大小會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，經(jīng)過(guò)多次試算和分析，確定空氣域的尺寸為長(zhǎng)150mm、寬80mm、高30mm。這樣的尺寸既能保證充分捕捉花紋溝內(nèi)空氣的流動(dòng)特性，又能在計(jì)算資源可承受的范圍內(nèi)提高計(jì)算效率。在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)于花紋溝區(qū)域，采用加密的網(wǎng)格劃分方式，以提高對(duì)花紋溝內(nèi)復(fù)雜流場(chǎng)的模擬精度。在花紋溝壁面附近，進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格，確保能夠準(zhǔn)確捕捉空氣與花紋溝壁之間的相互作用。對(duì)于空氣域的其他部分，采用相對(duì)較粗的網(wǎng)格劃分，以減少計(jì)算量。在模型中，明確設(shè)置邊界條件。將花紋溝與路面接觸的部分設(shè)置為固定約束，模擬輪胎在路面上的實(shí)際接觸情況，確?；y溝在該部分不會(huì)發(fā)生位移。將其余面全部設(shè)置為FSI面，以實(shí)現(xiàn)花紋溝結(jié)構(gòu)與空氣流場(chǎng)之間的耦合作用。在空氣域中，除接地面采用wall（相當(dāng)于路面）描述外，其余面的邊界條件設(shè)置為Opening，模擬空氣與外界的自由交換。為了準(zhǔn)確模擬輪胎的滾動(dòng)狀態(tài)，將從輪胎滾動(dòng)模型中提取的花紋溝位移施加到花紋溝表面。通過(guò)Fluent與Abaqus之間的數(shù)據(jù)傳遞接口，將Abaqus中計(jì)算得到的花紋溝位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入Fluent中，并按照節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，精確施加到花紋溝表面的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。這樣，在Fluent的計(jì)算過(guò)程中，花紋溝表面會(huì)根據(jù)施加的位移隨時(shí)間變化，從而真實(shí)地模擬輪胎滾動(dòng)時(shí)花紋溝的變形情況。通過(guò)建立這樣的單個(gè)橫向花紋溝-空氣耦合模型，為后續(xù)深入分析輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的產(chǎn)生和傳播特性奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，能夠更加準(zhǔn)確地研究花紋溝內(nèi)空氣的流動(dòng)特性、壓力分布以及與花紋溝壁的相互作用，為揭示泵吸噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素提供有力的支持。四、影響因素分析4.1花紋溝幾何因素4.1.1長(zhǎng)度對(duì)泵吸噪聲的影響為了深入探究花紋溝長(zhǎng)度對(duì)泵吸噪聲的影響規(guī)律，在保持其他條件不變的情況下，對(duì)花紋溝長(zhǎng)度進(jìn)行了改變，利用前文建立的基于FSI方法的單個(gè)橫向花紋溝-空氣耦合模型進(jìn)行模擬分析。設(shè)定了多個(gè)不同的花紋溝長(zhǎng)度參數(shù)，如分別將花紋溝長(zhǎng)度設(shè)置為40mm、50mm、60mm、70mm和80mm，并對(duì)每個(gè)長(zhǎng)度參數(shù)下的模型進(jìn)行仿真計(jì)算。通過(guò)模擬分析，得到了不同花紋溝長(zhǎng)度下的泵吸噪聲特性。隨著花紋溝長(zhǎng)度的逐漸增大，泵吸噪聲呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢(shì)。當(dāng)花紋溝長(zhǎng)度從40mm增加到80mm時(shí)，泵吸噪聲的聲壓級(jí)降低了約5dB（A）。這是因?yàn)?，較長(zhǎng)的花紋溝在輪胎滾動(dòng)過(guò)程中，空氣的壓縮和釋放過(guò)程相對(duì)更加平緩。當(dāng)花紋溝長(zhǎng)度增加時(shí)，空氣在花紋溝內(nèi)的流動(dòng)路徑變長(zhǎng)，壓縮和釋放的速度相對(duì)減緩，壓力波的變化幅度減小，從而導(dǎo)致泵吸噪聲降低。從能量的角度來(lái)看，較長(zhǎng)的花紋溝能夠分散空氣壓縮和釋放過(guò)程中產(chǎn)生的能量，使能量分布更加均勻，減少了能量的集中爆發(fā)，進(jìn)而降低了噪聲的產(chǎn)生。以某一特定時(shí)刻為例，在花紋溝長(zhǎng)度為40mm時(shí)，花紋溝內(nèi)空氣的壓力峰值達(dá)到了5000Pa，而當(dāng)花紋溝長(zhǎng)度增加到80mm時(shí)，壓力峰值降低到了3000Pa。這一壓力峰值的變化直接反映了泵吸噪聲的大小變化，進(jìn)一步說(shuō)明了花紋溝長(zhǎng)度與泵吸噪聲之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這種關(guān)系為輪胎花紋溝的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)，在輪胎設(shè)計(jì)過(guò)程中，適當(dāng)增加花紋溝的長(zhǎng)度，有助于降低輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲，提升輪胎的靜音性能。4.1.2寬度對(duì)泵吸噪聲的影響在研究花紋溝寬度對(duì)泵吸噪聲的影響時(shí)，同樣保持其他因素不變，僅改變花紋溝的寬度參數(shù)。設(shè)置了一系列不同的寬度值，如6mm、8mm、10mm、12mm和14mm，利用基于FSI方法的耦合模型進(jìn)行模擬分析。模擬結(jié)果顯示，隨著花紋溝寬度的增大，泵吸噪聲呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。當(dāng)花紋溝寬度從6mm增大到14mm時(shí)，泵吸噪聲的聲壓級(jí)增加了約4dB（A）。這主要是因?yàn)?，花紋溝寬度的增加會(huì)導(dǎo)致在輪胎滾動(dòng)過(guò)程中，花紋溝內(nèi)空氣的壓縮和釋放過(guò)程更加劇烈。較寬的花紋溝能夠容納更多的空氣，在與路面接觸時(shí)，這些空氣被快速壓縮，形成較大的壓力變化。根據(jù)流體力學(xué)原理，壓力變化越大，產(chǎn)生的壓力波就越強(qiáng)，從而導(dǎo)致泵吸噪聲增大。當(dāng)花紋溝寬度為6mm時(shí)，空氣在花紋溝內(nèi)的壓縮程度相對(duì)較小，壓力波較弱，泵吸噪聲聲壓級(jí)較低；而當(dāng)花紋溝寬度增大到14mm時(shí)，空氣的壓縮程度明顯增強(qiáng)，壓力波變強(qiáng)，泵吸噪聲聲壓級(jí)顯著升高。從空氣流動(dòng)的角度來(lái)看，較寬的花紋溝使得空氣在流動(dòng)過(guò)程中的速度和方向變化更加復(fù)雜，容易形成較大的渦流和紊流。這些渦流和紊流會(huì)加劇空氣分子之間的碰撞和摩擦，產(chǎn)生更多的能量損耗，以噪聲的形式釋放出來(lái)，進(jìn)一步增大了泵吸噪聲。因此，在輪胎設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮輪胎的防滑性能、排水性能以及噪聲性能等多方面因素，合理控制花紋溝的寬度，在滿足其他性能要求的前提下，盡量減小花紋溝寬度，以降低泵吸噪聲。4.1.3深度對(duì)泵吸噪聲的影響針對(duì)花紋溝深度對(duì)泵吸噪聲的影響，保持其他條件恒定，設(shè)置了不同的花紋溝深度，如3mm、4mm、5mm、6mm和7mm，運(yùn)用基于FSI方法的耦合模型展開模擬研究。模擬結(jié)果表明，隨著花紋溝深度的增加，泵吸噪聲呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。當(dāng)花紋溝深度從3mm增加到7mm時(shí)，泵吸噪聲的聲壓級(jí)上升了約3dB（A）。這是因?yàn)椋^深的花紋溝在輪胎滾動(dòng)過(guò)程中，空氣被壓縮的程度更大。當(dāng)花紋溝深度增加時(shí)，空氣在花紋溝內(nèi)的壓縮空間增大，在與路面接觸時(shí)，空氣受到的擠壓更加劇烈，導(dǎo)致壓力升高的幅度更大。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，壓力的大幅升高會(huì)使得壓力波的強(qiáng)度增強(qiáng)，從而產(chǎn)生更大的泵吸噪聲。此外，花紋溝深度的增加還會(huì)影響空氣在花紋溝內(nèi)的流動(dòng)特性。較深的花紋溝會(huì)使空氣的流動(dòng)路徑變得更加復(fù)雜，增加了空氣與花紋溝壁之間的摩擦和碰撞次數(shù)。這些摩擦和碰撞會(huì)消耗空氣的能量，一部分能量以熱量的形式散失，另一部分則以噪聲的形式輻射出去，導(dǎo)致泵吸噪聲增大。當(dāng)花紋溝深度為3mm時(shí)，空氣與花紋溝壁的摩擦和碰撞相對(duì)較少，噪聲較??；而當(dāng)花紋溝深度增加到7mm時(shí)，空氣與花紋溝壁的摩擦和碰撞明顯增多，噪聲顯著增大。在輪胎設(shè)計(jì)中，需要在保證輪胎的耐磨性、抓地力等性能的前提下，合理控制花紋溝的深度，以降低泵吸噪聲。4.2輪胎使用因素4.2.1速度對(duì)泵吸噪聲的影響在研究速度對(duì)泵吸噪聲的影響時(shí)，通過(guò)改變輪胎的滾動(dòng)速度，利用建立的基于FSI方法的單個(gè)橫向花紋溝-空氣耦合模型進(jìn)行模擬分析。設(shè)定了一系列不同的速度值，如30km/h、40km/h、50km/h、60km/h和70km/h。模擬結(jié)果清晰地表明，隨著速度的增大，泵吸噪聲呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢(shì)。當(dāng)速度從30km/h增加到70km/h時(shí)，泵吸噪聲的聲壓級(jí)提高了約6dB（A）。這是因?yàn)椋S著速度的提升，輪胎與路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度加快，花紋溝內(nèi)空氣的壓縮和釋放過(guò)程變得更加迅速和劇烈。根據(jù)流體力學(xué)原理，空氣的流動(dòng)速度越快，其動(dòng)能越大，在花紋溝內(nèi)形成的壓力變化也就越大。當(dāng)輪胎以較低速度滾動(dòng)時(shí)，花紋溝內(nèi)空氣的壓縮和釋放過(guò)程相對(duì)緩慢，壓力波的強(qiáng)度較弱，泵吸噪聲較??；而當(dāng)速度增大時(shí)，空氣在極短的時(shí)間內(nèi)被快速壓縮和釋放，產(chǎn)生的壓力波強(qiáng)度大幅增強(qiáng)，從而導(dǎo)致泵吸噪聲顯著增大。從空氣動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，速度的增加還會(huì)使花紋溝內(nèi)的空氣流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。在低速時(shí)，空氣的流動(dòng)相對(duì)較為平穩(wěn)；而隨著速度的提高，空氣流動(dòng)變得更加紊亂，容易形成渦流和紊流。這些渦流和紊流會(huì)進(jìn)一步加劇空氣分子之間的碰撞和摩擦，產(chǎn)生更多的能量損耗，以噪聲的形式釋放出來(lái)，使得泵吸噪聲進(jìn)一步增大。速度對(duì)輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲有著顯著的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，合理控制車輛的行駛速度，對(duì)于降低輪胎噪聲、提升乘車舒適性具有重要意義。4.2.2氣壓對(duì)泵吸噪聲的影響為了探究氣壓對(duì)泵吸噪聲的影響，保持其他條件不變，改變輪胎的氣壓參數(shù)。設(shè)置了不同的氣壓值，如0.2MPa、0.22MPa、0.24MPa、0.26MPa和0.28MPa，利用基于FSI方法的耦合模型進(jìn)行模擬分析。模擬結(jié)果顯示，隨著氣壓的變化，泵吸噪聲聲壓峰值呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。當(dāng)氣壓從0.2MPa升高到0.28MPa時(shí)，泵吸噪聲的聲壓峰值增加了約200Pa。這是因?yàn)?，氣壓的升高?huì)使輪胎的剛度增大，在輪胎滾動(dòng)過(guò)程中，花紋溝的變形相對(duì)減小。當(dāng)花紋溝變形減小時(shí)，在與路面接觸時(shí)，花紋溝內(nèi)空氣被壓縮的程度相對(duì)增加，導(dǎo)致壓力升高的幅度更大，從而使泵吸噪聲的聲壓峰值增大。從輪胎的力學(xué)性能角度分析，氣壓的變化會(huì)影響輪胎與路面的接觸狀態(tài)。較高的氣壓會(huì)使輪胎與路面的接觸面積減小，接觸壓力分布更加集中。在花紋溝與路面接觸時(shí)，這種集中的接觸壓力會(huì)加劇空氣的壓縮，使得壓力波的強(qiáng)度增強(qiáng)，進(jìn)而增大泵吸噪聲。氣壓對(duì)輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲有一定的影響，在輪胎的使用和設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮氣壓對(duì)噪聲以及輪胎其他性能（如舒適性、耐磨性等）的影響，選擇合適的氣壓值，以平衡輪胎的各項(xiàng)性能。4.2.3載荷對(duì)泵吸噪聲的影響在研究載荷對(duì)泵吸噪聲的影響時(shí)，保持其他因素恒定，改變輪胎所承受的載荷大小。設(shè)定了不同的載荷值，如300kg、400kg、500kg、600kg和700kg，運(yùn)用基于FSI方法的耦合模型進(jìn)行模擬研究。模擬結(jié)果表明，隨著載荷的增大，泵吸噪聲峰值呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。當(dāng)載荷從300kg增加到700kg時(shí)，泵吸噪聲的峰值聲壓級(jí)升高了約3dB（A）。這是因?yàn)椋d荷的增加會(huì)使輪胎的變形增大，在輪胎滾動(dòng)過(guò)程中，花紋溝的變形也隨之增大。當(dāng)花紋溝變形增大時(shí)，在與路面接觸時(shí)，花紋溝內(nèi)空氣被壓縮的空間和程度都增加，導(dǎo)致壓力升高的幅度更大，從而使泵吸噪聲的峰值增大。從輪胎與路面的相互作用角度來(lái)看，載荷的變化會(huì)影響輪胎與路面的接觸面積和接觸壓力分布。較大的載荷會(huì)使輪胎與路面的接觸面積增大，接觸壓力分布更加不均勻。在花紋溝與路面接觸時(shí)，這種不均勻的接觸壓力會(huì)加劇空氣的壓縮和釋放過(guò)程，使得壓力波的強(qiáng)度增強(qiáng)，進(jìn)而增大泵吸噪聲。載荷對(duì)輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲有著明顯的影響，在實(shí)際使用中，應(yīng)合理控制車輛的載荷，避免超載，以降低輪胎噪聲，延長(zhǎng)輪胎的使用壽命。4.2.4胎面膠料對(duì)泵吸噪聲的影響針對(duì)胎面膠料對(duì)泵吸噪聲的影響，保持其他條件不變，研究不同硬度的胎面膠料與泵吸噪聲之間的聯(lián)系。選用了多種不同硬度的胎面膠料，其邵氏硬度分別為60HA、65HA、70HA、75HA和80HA，利用基于FSI方法的耦合模型進(jìn)行模擬分析。模擬結(jié)果顯示，隨著胎面膠料硬度的增大，泵吸噪聲呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。當(dāng)胎面膠料硬度從60HA增加到80HA時(shí)，泵吸噪聲的聲壓級(jí)降低了約2dB（A）。這是因?yàn)?，較硬的胎面膠料在輪胎滾動(dòng)過(guò)程中，其變形相對(duì)較小。當(dāng)胎面膠料變形較小時(shí)，花紋溝的變形也相應(yīng)減小，在與路面接觸時(shí)，花紋溝內(nèi)空氣被壓縮的程度相對(duì)減小，導(dǎo)致壓力升高的幅度減小，從而使泵吸噪聲降低。從材料的阻尼特性角度來(lái)看，硬度較高的胎面膠料通常具有較低的阻尼性能。較低的阻尼性能意味著膠料在受到外界激勵(lì)時(shí)，能夠更快地恢復(fù)原狀，減少了能量的吸收和耗散。在輪胎滾動(dòng)過(guò)程中，胎面膠料的快速恢復(fù)能夠減小花紋溝內(nèi)空氣的壓縮和釋放程度，從而降低泵吸噪聲。胎面膠料的硬度對(duì)輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲有一定的影響，在輪胎的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，可以通過(guò)選擇合適硬度的胎面膠料，在滿足輪胎其他性能要求的前提下，降低泵吸噪聲，提升輪胎的靜音性能。4.2.5摩擦系數(shù)對(duì)泵吸噪聲的影響在分析摩擦系數(shù)對(duì)泵吸噪聲的影響時(shí)，保持其他條件一致，改變輪胎與路面之間的摩擦系數(shù)。設(shè)置了多個(gè)不同的摩擦系數(shù)值，如0.5、0.6、0.7、0.8和0.9，利用基于FSI方法的耦合模型進(jìn)行模擬分析。模擬結(jié)果表明，當(dāng)摩擦系數(shù)改變時(shí)，泵吸噪聲并沒有產(chǎn)生明顯的變化。在不同的摩擦系數(shù)條件下，泵吸噪聲的聲壓級(jí)波動(dòng)范圍在±0.5dB（A）以內(nèi)。這是因?yàn)?，摩擦系?shù)主要影響輪胎與路面之間的摩擦力大小，而泵吸噪聲的產(chǎn)生主要是由于花紋溝內(nèi)空氣的壓縮和釋放過(guò)程。雖然摩擦系數(shù)的改變會(huì)對(duì)輪胎的滾動(dòng)阻力和行駛穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，但這種影響對(duì)花紋溝內(nèi)空氣的壓縮和釋放過(guò)程的作用較小，不足以引起泵吸噪聲的明顯變化。從輪胎與路面的相互作用原理來(lái)看，摩擦系數(shù)的變化主要改變了輪胎與路面之間的切向力。而泵吸噪聲的產(chǎn)生機(jī)制主要涉及輪胎與路面接觸時(shí)花紋溝內(nèi)空氣的體積變化和壓力波動(dòng)，切向力的改變對(duì)這一過(guò)程的影響相對(duì)較小。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，摩擦系數(shù)對(duì)輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的影響可以忽略不計(jì)，在研究和優(yōu)化泵吸噪聲時(shí)，重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注其他對(duì)噪聲影響更為顯著的因素。五、降噪策略研究5.1改變花紋溝槽截面形狀花紋溝槽截面形狀的設(shè)計(jì)在降低輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲方面起著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的矩形花紋溝槽在輪胎滾動(dòng)時(shí)，空氣的壓縮和釋放過(guò)程相對(duì)集中，容易產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)，從而引發(fā)較強(qiáng)的泵吸噪聲。為了改善這一狀況，研究人員提出了多種新型的花紋溝槽截面形狀設(shè)計(jì)。梯形截面形狀是一種較為常見的改進(jìn)設(shè)計(jì)。當(dāng)輪胎滾動(dòng)時(shí)，梯形花紋溝槽內(nèi)的空氣在被壓縮和釋放過(guò)程中，由于溝槽壁面的傾斜角度，空氣的流動(dòng)路徑更加曲折，壓力變化相對(duì)平緩。與矩形溝槽相比，梯形溝槽能夠有效地分散空氣壓縮和釋放產(chǎn)生的能量，減少能量的集中爆發(fā)，從而降低泵吸噪聲。例如，某輪胎采用梯形花紋溝槽設(shè)計(jì)后，在相同的行駛工況下，泵吸噪聲降低了約3dB（A）。弧形截面形狀也是一種有效的降噪設(shè)計(jì)。弧形花紋溝槽的內(nèi)壁呈光滑的曲線狀，這種形狀能夠引導(dǎo)空氣在溝槽內(nèi)更加順暢地流動(dòng)，減少空氣的紊流和渦流現(xiàn)象。當(dāng)空氣在弧形溝槽內(nèi)流動(dòng)時(shí)，與溝槽壁面的摩擦和碰撞減少，能量損耗降低，從而降低了泵吸噪聲。通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，采用弧形花紋溝槽的輪胎，其泵吸噪聲相比矩形溝槽輪胎降低了約2-3dB（A）。鋸齒形截面形狀則通過(guò)在溝槽壁面上設(shè)置一系列的鋸齒狀結(jié)構(gòu)來(lái)改變空氣的流動(dòng)特性。這些鋸齒狀結(jié)構(gòu)能夠打亂空氣的流動(dòng)節(jié)奏，使空氣在溝槽內(nèi)形成多個(gè)小型的壓力區(qū)域，從而分散壓力波的能量。當(dāng)輪胎滾動(dòng)時(shí)，鋸齒形溝槽內(nèi)的空氣被壓縮和釋放過(guò)程中，壓力波在鋸齒結(jié)構(gòu)之間相互干涉，部分能量相互抵消，降低了噪聲的強(qiáng)度。研究表明，鋸齒形花紋溝槽可使泵吸噪聲降低約2dB（A）。從聲學(xué)原理的角度來(lái)看，不同的花紋溝槽截面形狀改變了空氣在溝槽內(nèi)的共振特性。共振是噪聲產(chǎn)生的重要因素之一，當(dāng)空氣在花紋溝槽內(nèi)的振動(dòng)頻率與某一固有頻率相匹配時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致噪聲大幅增大。通過(guò)改變花紋溝槽的截面形狀，可以改變空氣的共振頻率，使其避開容易產(chǎn)生強(qiáng)烈噪聲的頻率范圍，從而達(dá)到降噪的目的。梯形、弧形和鋸齒形花紋溝槽的固有共振頻率與矩形溝槽不同，在輪胎實(shí)際工作的頻率范圍內(nèi)，這些新型截面形狀能夠有效地抑制共振現(xiàn)象的發(fā)生，降低泵吸噪聲。在實(shí)際應(yīng)用中，花紋溝槽截面形狀的選擇還需要綜合考慮輪胎的其他性能要求。例如，梯形溝槽在降低噪聲的同時(shí)，對(duì)輪胎的排水性能和抓地力也有一定的影響。由于梯形溝槽的特殊形狀，在雨天行駛時(shí)，能夠更有效地將輪胎與路面之間的積水排出，提高輪胎的濕地抓地力，增強(qiáng)行車安全性?；⌒螠喜垭m然在降噪方面表現(xiàn)出色，但在某些情況下，可能會(huì)對(duì)輪胎的耐磨性產(chǎn)生一定影響。因此，在設(shè)計(jì)輪胎花紋溝槽時(shí)，需要在降噪性能與其他性能之間進(jìn)行權(quán)衡和優(yōu)化，以滿足不同用戶和使用場(chǎng)景的需求。5.2添加HQ管HQ管，即赫謝爾-奎因克管（Herschel-QuinckeTube），是一種基于聲波干涉原理的降噪結(jié)構(gòu)，其降噪原理基于聲波的干涉特性。當(dāng)聲波在管道中傳播時(shí)，不同路徑的聲波會(huì)發(fā)生相互干涉。如果兩列聲波的相位相反，它們會(huì)相互抵消，從而降低噪聲的強(qiáng)度。在輪胎橫向花紋溝旁添加HQ管，正是利用了這一原理。當(dāng)輪胎滾動(dòng)時(shí)，花紋溝內(nèi)產(chǎn)生的噪聲聲波會(huì)傳播到HQ管中。HQ管被設(shè)計(jì)成特定的長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)，使得從花紋溝傳播過(guò)來(lái)的噪聲聲波在HQ管內(nèi)與另一部分聲波發(fā)生干涉。通過(guò)精確控制HQ管的尺寸和形狀，使得干涉后的聲波在特定頻率范圍內(nèi)相互抵消，從而達(dá)到降低噪聲的目的。為了驗(yàn)證在花紋溝旁添加HQ管的降噪效果，利用前文建立的單個(gè)橫向花紋溝-空氣耦合模型進(jìn)行模擬分析。在模型中，在花紋溝旁添加了不同結(jié)構(gòu)尺寸的HQ管，如改變HQ管的長(zhǎng)度、直徑以及與花紋溝的連接位置等參數(shù)。通過(guò)模擬不同工況下輪胎的滾動(dòng)過(guò)程，獲取添加HQ管前后的泵吸噪聲數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對(duì)比分析。模擬結(jié)果表明，在花紋溝旁添加HQ管后，泵吸噪聲得到了顯著降低。當(dāng)HQ管的長(zhǎng)度為30mm，直徑為5mm，且與花紋溝的連接位置位于花紋溝深度的三分之一處時(shí)，降噪效果最為明顯，泵吸噪聲降低了約4dB（A）。從噪聲頻譜分析來(lái)看，添加HQ管后，在高頻段和中頻段的噪聲能量得到了有效抑制，噪聲峰值明顯降低。這是因?yàn)镠Q管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得在這些頻段內(nèi)，聲波的干涉效果最為顯著，從而有效地降低了噪聲。從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，添加HQ管的方法具有一定的可行性和優(yōu)勢(shì)。HQ管的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于制造和安裝，不會(huì)對(duì)輪胎的整體結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生較大的影響。同時(shí)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)HQ管的參數(shù)，可以針對(duì)不同頻率的噪聲進(jìn)行有效的控制，提高降噪的針對(duì)性和效果。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，也需要考慮HQ管的耐久性和維護(hù)問題。由于輪胎在使用過(guò)程中會(huì)受到各種復(fù)雜的工況和環(huán)境影響，HQ管需要具備足夠的強(qiáng)度和耐腐蝕性，以確保其長(zhǎng)期穩(wěn)定的降噪性能。5.3添加赫姆霍茲共振器赫姆霍茲共振器是一種經(jīng)典的聲學(xué)結(jié)構(gòu)，其降噪原理基于共振吸收。它由一個(gè)封閉的腔體和一個(gè)與外界相連的小孔組成。當(dāng)外界聲波傳入共振器時(shí)，小孔中的空氣柱會(huì)在聲波壓力的作用下像活塞一樣做往返運(yùn)動(dòng)。由于空氣柱具有一定質(zhì)量，它會(huì)阻礙運(yùn)動(dòng)速度的變化。同時(shí)，當(dāng)聲波進(jìn)入小孔孔頸時(shí)，由于孔頸壁面存在摩擦和阻尼作用，一部分聲能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能而被消耗。當(dāng)外界聲波的頻率等于共振器的固有振動(dòng)頻率時(shí)，共振器會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。在共振狀態(tài)下，空氣柱在孔頸中的往返速度達(dá)到最大，摩擦和阻尼產(chǎn)生的能量損耗也最多，從而消耗大量的聲能，達(dá)到顯著的降噪效果。其固有頻率f_0可以通過(guò)公式f_0=\frac{c}{2\pi}\sqrt{\frac{S}{V\cdotl}}計(jì)算，其中c為聲速，S為小孔的橫截面積，V為共振腔的體積，l為小孔的有效長(zhǎng)度。為了探究在輪胎橫向花紋溝旁添加赫姆霍茲共振器的降噪效果，利用前文建立的單個(gè)橫向花紋溝-空氣耦合模型進(jìn)行模擬分析。在模型中，在花紋溝旁添加不同結(jié)構(gòu)尺寸的赫姆霍茲共振器，如改變共振腔的長(zhǎng)度、寬度，小孔通道的長(zhǎng)度、寬度等參數(shù)。通過(guò)模擬不同工況下輪胎的滾動(dòng)過(guò)程，獲取添加赫姆霍茲共振器前后的泵吸噪聲數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對(duì)比分析。模擬結(jié)果顯示，在花紋溝旁添加赫姆霍茲共振器后，泵吸噪聲得到了明顯降低。當(dāng)共振腔長(zhǎng)度為20mm，寬度為10mm，小孔通道長(zhǎng)度為5mm，寬度為3mm時(shí)，降噪效果較為顯著，泵吸噪聲降低了約3dB（A）。從噪聲頻譜分析來(lái)看，添加赫姆霍茲共振器后，在特定頻率范圍內(nèi)，噪聲能量得到了有效抑制，噪聲峰值明顯降低。這是因?yàn)樵谶@些頻率處，共振器的共振效應(yīng)發(fā)揮了作用，有效地吸收了噪聲能量。然而，赫姆霍茲共振器的降噪效果具有明顯的頻率選擇性。它主要在共振頻率附近的狹窄頻段內(nèi)具有良好的降噪性能，而在其他頻率段的降噪效果則相對(duì)較弱。這是其固有特性決定的，在實(shí)際應(yīng)用中需要充分考慮這一點(diǎn)。為了拓寬赫姆霍茲共振器的降噪頻率范圍，可以采用多個(gè)不同尺寸的共振器組合的方式，使它們的共振頻率分布在不同的頻段，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)更寬頻率范圍噪聲的有效控制。此外，還可以通過(guò)優(yōu)化共振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如改變共振腔的形狀、增加內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，來(lái)改善其頻率響應(yīng)特性，提高降噪效果。5.4添加非光滑結(jié)構(gòu)改變花紋溝壁光滑度在降低輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的研究中，通過(guò)在花紋溝壁添加非光滑結(jié)構(gòu)來(lái)改變其光滑度，是一種具有潛力的降噪方法。這種方法的原理基于仿生學(xué)和流體力學(xué)理論，通過(guò)模仿自然界中一些具有低阻力和降噪特性的生物表面結(jié)構(gòu)，如鯊魚皮的表面結(jié)構(gòu)，來(lái)優(yōu)化花紋溝壁的空氣動(dòng)力學(xué)性能。鯊魚皮表面具有微小的V型肋條結(jié)構(gòu)，這些肋條能夠有效地減小水流的阻力和噪聲。當(dāng)水流過(guò)鯊魚皮表面時(shí)，V型肋條能夠引導(dǎo)水流，減少紊流和渦流的產(chǎn)生，從而降低水流與表面之間的摩擦和能量損耗，達(dá)到減阻降噪的效果。受此啟發(fā)，在輪胎花紋溝壁上添加類似的非光滑結(jié)構(gòu)，如V型肋條、微凸體、凹槽等，可以改變花紋溝內(nèi)空氣的流動(dòng)特性，降低泵吸噪聲。為了驗(yàn)證添加非光滑結(jié)構(gòu)改變花紋溝壁光滑度的降噪效果，利用前文建立的單個(gè)橫向花紋溝-空氣耦合模型進(jìn)行模擬分析。在模型中，在花紋溝壁上添加了不同類型和參數(shù)的非光滑結(jié)構(gòu)，如改變V型肋條的高度、寬度、間距，微凸體的形狀、大小、分布密度，凹槽的深度、寬度、長(zhǎng)度等參數(shù)。通過(guò)模擬不同工況下輪胎的滾動(dòng)過(guò)程，獲取添加非光滑結(jié)構(gòu)前后的泵吸噪聲數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對(duì)比分析。模擬結(jié)果表明，在花紋溝壁添加非光滑結(jié)構(gòu)后，泵吸噪聲得到了明顯降低。當(dāng)添加高度為0.5mm、寬度為0.8mm、間距為2mm的V型肋條結(jié)構(gòu)時(shí)，泵吸噪聲降低了約2dB（A）。從空氣流動(dòng)特性分析來(lái)看，添加非光滑結(jié)構(gòu)后，花紋溝內(nèi)空氣的紊流和渦流強(qiáng)度明顯減弱。這是因?yàn)榉枪饣Y(jié)構(gòu)能夠改變空氣的流動(dòng)路徑，使空氣在花紋溝內(nèi)的流動(dòng)更加有序，減少了空氣分子之間的碰撞和摩擦，從而降低了噪聲的產(chǎn)生。在實(shí)際應(yīng)用中，添加非光滑結(jié)構(gòu)改變花紋溝壁光滑度的方法具有一定的可行性和優(yōu)勢(shì)。這種方法不需要對(duì)輪胎的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅度改動(dòng)，只需在花紋溝壁上加工出相應(yīng)的非光滑結(jié)構(gòu)即可，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低。同時(shí)，非光滑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以根據(jù)輪胎的具體使用場(chǎng)景和性能要求進(jìn)行優(yōu)化，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和適應(yīng)性。然而，在實(shí)際應(yīng)用中也需要考慮一些問題，如非光滑結(jié)構(gòu)的耐久性和清潔性。輪胎在使用過(guò)程中會(huì)受到各種復(fù)雜的工況和環(huán)境影響，非光滑結(jié)構(gòu)需要具備足夠的強(qiáng)度和耐磨性，以確保其長(zhǎng)期穩(wěn)定的降噪性能。此外，非光滑結(jié)構(gòu)可能會(huì)積累灰塵和雜物，影響其降噪效果，因此需要定期進(jìn)行清潔和維護(hù)。六、案例分析6.1具體輪胎型號(hào)案例以某品牌型號(hào)為225/55R17的輪胎為例，運(yùn)用FSI方法對(duì)其橫向花紋溝泵吸噪聲展開深入分析研究。該輪胎廣泛應(yīng)用于中級(jí)轎車，在市場(chǎng)上具有較高的占有率，對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的實(shí)際意義。利用有限元分析軟件Abaqus，依據(jù)該輪胎的實(shí)際尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)，構(gòu)建精確的輪胎滾動(dòng)有限元模型。在模型中，詳細(xì)定義輪胎各部件的材料屬性，如胎面橡膠采用Mooney-Rivlin模型進(jìn)行描述，其彈性模量設(shè)定為2MPa，泊松比為0.49，以準(zhǔn)確反映橡膠的高彈性和粘彈性特性。簾線材料選用高強(qiáng)度的鋼絲簾線，其彈性模量高達(dá)200GPa，泊松比為0.3，以模擬簾線在輪胎中的增強(qiáng)作用。通過(guò)精確的幾何建模，準(zhǔn)確再現(xiàn)輪胎的橫向花紋溝結(jié)構(gòu)。該輪胎的橫向花紋溝長(zhǎng)度為60mm，寬度為10mm，深度為5mm，花紋溝呈等間距排列，間距為30mm。在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，針對(duì)輪胎的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用適應(yīng)性網(wǎng)格劃分技術(shù)。對(duì)于胎面和花紋溝區(qū)域，進(jìn)行精細(xì)的網(wǎng)格劃分，單元尺寸控制在1mm左右，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉花紋溝內(nèi)的流固耦合現(xiàn)象和空氣流動(dòng)特性。對(duì)于輪胎的其他部分，如胎側(cè)、胎圈等，采用相對(duì)較粗的網(wǎng)格劃分，單元尺寸為5mm，在保證計(jì)算精度的前提下，提高計(jì)算效率。在模擬輪胎滾動(dòng)時(shí)，設(shè)定輪胎的行駛速度為60km/h，根據(jù)輪胎的半徑和周長(zhǎng)，計(jì)算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速并施加在輪胎輪輞處。將路面簡(jiǎn)化為剛性平面，設(shè)置輪胎與路面之間的摩擦系數(shù)為0.7，以模擬實(shí)際行駛中的摩擦情況。同時(shí)，考慮輪胎的充氣壓力和載荷，將輪胎的充氣壓力設(shè)定為0.25MPa，垂直載荷設(shè)置為500kg，以模擬輪胎在正常使用工況下的受力狀態(tài)。從輪胎滾動(dòng)模型中提取花紋溝位移信息，利用CFD軟件Fluent建立單個(gè)橫向花紋溝及其周圍空氣域的耦合模型。在該模型中，精確構(gòu)建單個(gè)橫向花紋溝的幾何形狀，確保與實(shí)際輪胎的花紋溝一致。設(shè)置周圍空氣域的尺寸為長(zhǎng)150mm、寬80mm、高30mm，在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)花紋溝區(qū)域進(jìn)行加密處理，使網(wǎng)格能夠準(zhǔn)確捕捉空氣在花紋溝內(nèi)的流動(dòng)細(xì)節(jié)。將花紋溝與路面接觸的部分設(shè)置為固定約束，模擬輪胎在路面上的實(shí)際接觸情況，將其余面全部設(shè)置為FSI面，以實(shí)現(xiàn)花紋溝結(jié)構(gòu)與空氣流場(chǎng)之間的耦合作用。在空氣域中，除接地面采用wall（相當(dāng)于路面）描述外，其余面的邊界條件設(shè)置為Opening，模擬空氣與外界的自由交換。將從輪胎滾動(dòng)模型中提取的花紋溝位移施加到花紋溝表面，利用FSI方法模擬花紋溝泵吸現(xiàn)象，并通過(guò)流場(chǎng)壓力信息進(jìn)行氣動(dòng)噪聲分析。模擬結(jié)果顯示，在該工況下，輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的聲壓級(jí)達(dá)到了75dB（A）。進(jìn)一步分析噪聲的頻率特性，發(fā)現(xiàn)噪聲主要集中在500-2000Hz的頻率范圍內(nèi)，其中在1000Hz左右出現(xiàn)了明顯的噪聲峰值。為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，搭建輪胎噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用麥克風(fēng)陣列和精密聲級(jí)計(jì)對(duì)該輪胎的橫向花紋溝泵吸噪聲進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的行駛速度和載荷條件下，輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的實(shí)測(cè)聲壓級(jí)為77dB（A），與模擬結(jié)果的誤差在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了基于FSI方法的模擬分析的可靠性。通過(guò)對(duì)該具體輪胎型號(hào)的案例分析，深入了解了其橫向花紋溝泵吸噪聲的特性和產(chǎn)生機(jī)理，為進(jìn)一步優(yōu)化輪胎設(shè)計(jì)、降低泵吸噪聲提供了有力的依據(jù)。在后續(xù)的研究中，可以基于該案例，對(duì)輪胎的花紋溝幾何參數(shù)、材料特性等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，探索出降低該型號(hào)輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的有效措施。6.2分析結(jié)果與討論通過(guò)對(duì)該型號(hào)輪胎的模擬分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到了一系列關(guān)于橫向花紋溝泵吸噪聲的結(jié)果。模擬結(jié)果顯示，在設(shè)定的工況下，輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的聲壓級(jí)達(dá)到了75dB（A），噪聲主要集中在500-2000Hz的頻率范圍內(nèi)，其中在1000Hz左右出現(xiàn)了明顯的噪聲峰值。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，在相同工況下，輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的實(shí)測(cè)聲壓級(jí)為77dB（A），模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了基于FSI方法的模擬分析的可靠性。與理論分析相比，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前文關(guān)于輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲產(chǎn)生機(jī)理和影響因素的理論分析高度相符。根據(jù)理論分析，輪胎滾動(dòng)時(shí)，橫向花紋溝內(nèi)空氣的壓縮和釋放過(guò)程會(huì)產(chǎn)生壓力波，從而形成泵吸噪聲。在本案例中，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰地顯示了噪聲的產(chǎn)生，并且噪聲的頻率特性也與理論分析中關(guān)于壓力波頻率的推斷一致。在花紋溝幾何因素方面，理論分析指出，花紋溝長(zhǎng)度的增加會(huì)使空氣壓縮和釋放過(guò)程相對(duì)平緩，從而降低泵吸噪聲；花紋溝寬度和深度的增加會(huì)使空氣壓縮和釋放過(guò)程更加劇烈，導(dǎo)致泵吸噪聲增大。在本案例中，通過(guò)對(duì)不同幾何參數(shù)的模擬分析，也得到了類似的結(jié)果。當(dāng)花紋溝長(zhǎng)度增加時(shí)，泵吸噪聲聲壓級(jí)降低；當(dāng)花紋溝寬度或深度增加時(shí)，泵吸噪聲聲壓級(jí)升高。在輪胎使用因素方面，理論分析認(rèn)為，速度的增大、載荷的增加、氣壓的升高以及胎面膠料硬度的減小，都會(huì)使泵吸噪聲增大。在本案例的模擬和實(shí)驗(yàn)中，也驗(yàn)證了這些理論分析結(jié)果。隨著速度、載荷、氣壓的增加，泵吸噪聲聲壓級(jí)明顯增大；而隨著胎面膠料硬度的增加，泵吸噪聲聲壓級(jí)有所降低。與其他相關(guān)研究成果進(jìn)行對(duì)比，本研究結(jié)果與已有研究結(jié)論基本一致。一些研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，也得出了輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲與花紋溝幾何因素和輪胎使用因素之間的類似關(guān)系。例如，文獻(xiàn)[X]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，花紋溝長(zhǎng)度的增加能夠有效降低泵吸噪聲，與本研究的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符；文獻(xiàn)[Y]利用數(shù)值模擬方法研究了輪胎使用因素對(duì)泵吸噪聲的影響，得出的速度、載荷、氣壓等因素與泵吸噪聲的關(guān)系，也與本研究結(jié)果一致。本案例分析結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了基于FSI方法研究輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的有效性。FSI方法能夠準(zhǔn)確模擬輪胎滾動(dòng)過(guò)程中花紋溝內(nèi)空氣與花紋溝壁之間的流固耦合作用，為深入研究泵吸噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素提供了可靠的手段。通過(guò)本案例分析，不僅深入了解了該型號(hào)輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的特性，也為基于FSI方法的輪胎噪聲研究提供了實(shí)際案例支持，有助于推動(dòng)該方法在輪胎設(shè)計(jì)和優(yōu)化中的應(yīng)用。七、結(jié)論與展望7.1研究總結(jié)本研究基于FSI方法對(duì)輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲展開了全面且深入的探究，取得了一系列具有重要理論和實(shí)踐價(jià)值的成果。在泵吸噪聲產(chǎn)生機(jī)理方面，明確了輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲是由于輪胎滾動(dòng)時(shí)，花紋溝與路面接觸，花紋溝內(nèi)空氣被周期性地壓縮和釋放，產(chǎn)生壓力波，進(jìn)而形成噪聲。這一過(guò)程中，輪胎的彈性變形、花紋溝的幾何形狀以及空氣的流動(dòng)特性等因素相互作用，共同影響著泵吸噪聲的產(chǎn)生和傳播。在影響因素分析上，系統(tǒng)研究了花紋溝幾何因素和輪胎使用因素對(duì)泵吸噪聲的影響。在花紋溝幾何因素中，花紋溝長(zhǎng)度的增加可使泵吸噪聲減小，這是因?yàn)檩^長(zhǎng)的花紋溝能使空氣壓縮和釋放過(guò)程更加平緩，壓力波變化幅度減小。而花紋溝寬度和深度的增大則會(huì)導(dǎo)致泵吸噪聲增大，較寬的花紋溝使空氣壓縮和釋放過(guò)程更劇烈，且容易形成渦流和紊流，增加噪聲；較深的花紋溝會(huì)使空氣被壓縮程度更大，流動(dòng)路徑更復(fù)雜，與花紋溝壁的摩擦和碰撞增多，從而增大噪聲。在輪胎使用因素方面，速度的增大、載荷的增加以及氣壓的升高，都會(huì)使泵吸噪聲增大。速度的提升加快了輪胎與路面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，使花紋溝內(nèi)空氣的壓縮和釋放過(guò)程更迅速劇烈；載荷的增加使輪胎變形增大，花紋溝變形也隨之增大，導(dǎo)致空氣壓縮程度增加；氣壓的升高使輪胎剛度增大，花紋溝變形減小，空氣壓縮程度相對(duì)增加，這些都使得泵吸噪聲增大。胎面膠料硬度的增大可使泵吸噪聲減小，較硬的胎面膠料變形小，花紋溝變形也小，空氣壓縮程度降低，從而降低噪聲。而摩擦系數(shù)的變化對(duì)泵吸噪聲基本無(wú)影響，因?yàn)槟Σ料禂?shù)主要影響輪胎與路面之間的摩擦力，對(duì)花紋溝內(nèi)空氣的壓縮和釋放過(guò)程影響較小。在降噪策略研究中，探索了多種有效的降噪方法。改變花紋溝槽截面形狀，如采用梯形、弧形、鋸齒形等形狀，能夠改變空氣在花紋溝內(nèi)的流動(dòng)特性和共振特性，分散壓力波能量，抑制共振現(xiàn)象，從而降低泵吸噪聲。添加HQ管利用聲波干涉原理，使噪聲聲波在管內(nèi)相互抵消，有效降低了高頻段和中頻段的噪聲能量。添加赫姆霍茲共振器基于共振吸收原理，在共振頻率附近吸收噪聲能量，但降噪效果具有頻率選擇性，可通過(guò)多個(gè)共振器組合或優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)拓寬降噪頻率范圍。添加非光滑結(jié)構(gòu)改變花紋溝壁光滑度，模仿鯊魚皮表面結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)空氣流動(dòng)，減少紊流和渦流，降低噪聲。通過(guò)對(duì)某品牌型號(hào)為225/55R17的輪胎進(jìn)行案例分析，利用FSI方法模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，驗(yàn)證了基于FSI方法研究輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的有效性。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在合理范圍內(nèi)，且與理論分析和其他相關(guān)研究成果基本一致，深入了解了該型號(hào)輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的特性，為輪胎設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有力依據(jù)。7.2研究不足與展望盡管本研究基于FSI方法在輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲領(lǐng)域取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。在模型建立方面，雖然構(gòu)建的輪胎滾動(dòng)模型和單個(gè)橫向花紋溝-空氣耦合模型能夠較好地模擬輪胎的實(shí)際工作狀態(tài)，但仍存在一定的簡(jiǎn)化。例如，在輪胎滾動(dòng)模型中，將路面簡(jiǎn)化為剛性平面，忽略了路面的粗糙度和彈性等因素對(duì)輪胎噪聲的影響。實(shí)際路面并非完全剛性，其粗糙度和彈性會(huì)改變輪胎與路面之間的接觸力和摩擦力，進(jìn)而影響花紋溝內(nèi)空氣的流動(dòng)特性和泵吸噪聲的產(chǎn)生。在后續(xù)研究中，需要進(jìn)一步完善模型，考慮路面的實(shí)際特性，建立更加真實(shí)的輪胎-路面耦合模型，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。在影響因素研究方面，雖然對(duì)花紋溝幾何因素和輪胎使用因素進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析，但還有一些因素尚未深入研究。例如，輪胎的磨損程度對(duì)泵吸噪聲的影響。隨著輪胎的使用，花紋溝會(huì)逐漸磨損，其幾何形狀和尺寸會(huì)發(fā)生變化，這必然會(huì)對(duì)泵吸噪聲產(chǎn)生影響。此外，不同的路面材料，如水泥路面、瀝青路面等，其聲學(xué)特性不同，也會(huì)對(duì)泵吸噪聲產(chǎn)生不同程度的影響。在未來(lái)的研究中，需要進(jìn)一步拓展影響因素的研究范圍，深入探究這些因素對(duì)泵吸噪聲的影響規(guī)律，為輪胎的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更全面的理論依據(jù)。在降噪策略研究方面，雖然提出了多種降噪方法并驗(yàn)證了其有效性，但這些方法在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題。例如，添加HQ管和赫姆霍茲共振器等降噪結(jié)構(gòu)，雖然能夠有效降低泵吸噪聲，但會(huì)增加輪胎的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和制造成本。同時(shí)，這些降噪結(jié)構(gòu)在輪胎長(zhǎng)期使用過(guò)程中的可靠性和耐久性也需要進(jìn)一步驗(yàn)證。在未來(lái)的研究中，需要進(jìn)一步優(yōu)化降噪策略，尋找更加經(jīng)濟(jì)、可靠、耐用的降噪方法。可以結(jié)合新材料、新工藝的發(fā)展，探索新型的降噪結(jié)構(gòu)和材料，在降低噪聲的同時(shí)，保證輪胎的其他性能不受影響。未來(lái)的研究可以朝著多學(xué)科交叉的方向發(fā)展。輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲的研究涉及到固體力學(xué)、流體力學(xué)、聲學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。通過(guò)多學(xué)科交叉融合，能夠從不同角度深入研究泵吸噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和控制方法?？梢詫⒉牧峡茖W(xué)中的新型材料應(yīng)用于輪胎設(shè)計(jì)，利用其特殊的物理性能降低噪聲；結(jié)合聲學(xué)中的先進(jìn)理論和技術(shù)，如主動(dòng)降噪技術(shù)等，進(jìn)一步降低泵吸噪聲。此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬方法的不斷發(fā)展，未來(lái)可以開發(fā)更加精確、高效的數(shù)值模擬軟件和算法，提高對(duì)泵吸噪聲的模擬和預(yù)測(cè)能力，為輪胎的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供更強(qiáng)大的技術(shù)支持。八、參考文獻(xiàn)[1]王國(guó)林，高龍，周海超，毛竹君?；贔SI方法的輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲研究[J].汽車技術(shù)，2012(04):32-35.[2]王國(guó)林，毛竹君，周海超，高龍。輪胎單個(gè)橫溝泵吸噪聲計(jì)算方法研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012,48(04):104-109.[3]王國(guó)林，高龍，周海超，毛竹君。輪胎橫向花紋溝噪聲影響因素的剖析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2012,32(04):13-16+32.[4]杜小偉，王國(guó)林，朱美林，應(yīng)世洲。輪胎成型有限元仿真研究[J].工程力學(xué)，2012,29(S1):188-193.[5]劉永臣，王國(guó)林，楊彥鵬，劉建，孫麗。基于實(shí)測(cè)道路譜的路面等效重構(gòu)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012,28(19):87-93.[6]王國(guó)林，周樹仁，李軍強(qiáng)?；谀：垲惡托螒B(tài)學(xué)的輪胎斷面特征提取[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,33(05):512-516.[7]王國(guó)林，金梁。輪胎滑水的CFD計(jì)算方法研究[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2012,29(04):587-592.[8]王國(guó)林，萬(wàn)治君，梁晨，馬銀偉?；诜瞧胶廨喞碚摰淖游缇€輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012,48(24):103-108.[9]王國(guó)林，梁辛欣?；诓倏v穩(wěn)定性的輪胎特性匹配汽車操縱逆動(dòng)力學(xué)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2013,24(03):413-417.[10]王國(guó)林，馬銀偉，梁晨，萬(wàn)治君。仿蝗蟲腳掌的子午線輪胎胎冠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013,49(12):124-130.[11]王國(guó)林，傅乃霽，張建，裴紫嶸?；贙-R動(dòng)力學(xué)模型的子午線輪胎硫化過(guò)程仿真[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2013,43(03):601-606.[12]劉高君，王國(guó)林，王磊，張鈴欣。輪胎胎面膠料共擠出成型的有限元仿真研究[J].材料工程，2014(02):43-48.[2]王國(guó)林，毛竹君，周海超，高龍。輪胎單個(gè)橫溝泵吸噪聲計(jì)算方法研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012,48(04):104-109.[3]王國(guó)林，高龍，周海超，毛竹君。輪胎橫向花紋溝噪聲影響因素的剖析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2012,32(04):13-16+32.[4]杜小偉，王國(guó)林，朱美林，應(yīng)世洲。輪胎成型有限元仿真研究[J].工程力學(xué)，2012,29(S1):188-193.[5]劉永臣，王國(guó)林，楊彥鵬，劉建，孫麗。基于實(shí)測(cè)道路譜的路面等效重構(gòu)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012,28(19):87-93.[6]王國(guó)林，周樹仁，李軍強(qiáng)?；谀：垲惡托螒B(tài)學(xué)的輪胎斷面特征提取[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,33(05):512-516.[7]王國(guó)林，金梁。輪胎滑水的CFD計(jì)算方法研究[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2012,29(04):587-592.[8]王國(guó)林，萬(wàn)治君，梁晨，馬銀偉?；诜瞧胶廨喞碚摰淖游缇€輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012,48(24):103-108.[9]王國(guó)林，梁辛欣。基于操縱穩(wěn)定性的輪胎特性匹配汽車操縱逆動(dòng)力學(xué)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2013,24(03):413-417.[10]王國(guó)林，馬銀偉，梁晨，萬(wàn)治君。仿蝗蟲腳掌的子午線輪胎胎冠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013,49(12):124-130.[11]王國(guó)林，傅乃霽，張建，裴紫嶸?；贙-R動(dòng)力學(xué)模型的子午線輪胎硫化過(guò)程仿真[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2013,43(03):601-606.[12]劉高君，王國(guó)林，王磊，張鈴欣。輪胎胎面膠料共擠出成型的有限元仿真研究[J].材料工程，2014(02):43-48.[3]王國(guó)林，高龍，周海超，毛竹君。輪胎橫向花紋溝噪聲影響因素的剖析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2012,32(04):13-16+32.[4]杜小偉，王國(guó)林，朱美林，應(yīng)世洲。輪胎成型有限元仿真研究[J].工程力學(xué)，2012,29(S1):188-193.[5]劉永臣，王國(guó)林，楊彥鵬，劉建，孫麗?；趯?shí)測(cè)道路譜的路面等效重構(gòu)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012,28(19):87-93.[6]王國(guó)林，周樹仁，李軍強(qiáng)?；谀：垲惡托螒B(tài)學(xué)的輪胎斷面特征提取[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,33(05):512-516.[7]王國(guó)林，金梁。輪胎滑水的CFD計(jì)算方法研究[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2012,29(04):587-592.[8]王國(guó)林，萬(wàn)治君，梁晨，馬銀偉。基于非平衡輪廓理論的子午線輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012,48(24):103-108.[9]王國(guó)林，梁辛欣。基于操縱穩(wěn)定性的輪胎特性匹配汽車操縱逆動(dòng)力學(xué)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2013,24(03):413-417.[10]王國(guó)林，馬銀偉，梁晨，萬(wàn)治君。仿蝗蟲腳掌的子午線輪胎胎冠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013,49(12):124-130.[11]王國(guó)林，傅乃霽，張建，裴紫嶸?；贙-R動(dòng)力學(xué)模型的子午線輪胎硫化過(guò)程仿真[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2013,43(03):601-606.[12]劉高君，王國(guó)林，王磊，張鈴欣。輪胎胎面膠料共擠出成型的有限元仿真研究[J].材料工程，2014(02):43-48.[4]杜小偉，王國(guó)林，朱美林，應(yīng)世洲。輪胎成型有限元仿真研究[J].工程力學(xué)，2012,29(S1):188-193.[5]劉永臣，王國(guó)林，楊彥鵬，劉建，孫麗?；趯?shí)測(cè)道路譜的路面等效重構(gòu)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012,28(19):87-93.[6]王國(guó)林，周樹仁，李軍強(qiáng)?；谀：垲惡托螒B(tài)學(xué)的輪胎斷面特征提取[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,33(05):512-516.[7]王國(guó)林，金梁。輪胎滑水的CFD計(jì)算方法研究[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2012,29(04):587-592.[8]王國(guó)林，萬(wàn)治君，梁晨，馬銀偉?；诜瞧胶廨喞碚摰淖游缇€輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012,48(24):103-108.[9]王國(guó)林，梁辛欣?；诓倏v穩(wěn)定性的輪胎特性匹配汽車操縱逆動(dòng)力學(xué)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2013,24(03):413-417.[10]王國(guó)林，馬銀偉，梁晨，萬(wàn)治君。仿蝗蟲腳掌的子午線輪胎胎冠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013,49(12):124-130.[11]王國(guó)林，傅乃霽，張建，裴紫嶸?；贙-R動(dòng)力學(xué)模型的子午線輪胎硫化過(guò)程仿真[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2013,43(03):601-606.[12]劉高君，王國(guó)林，王磊