阻车网地钉对汽车轮胎作用的动态有限元分析

何湘，倪君杰

（公安部第一研究所，北京100048）

【机械制造与检测技术】

阻车网地钉对汽车轮胎作用的动态有限元分析

何湘，倪君杰

（公安部第一研究所，北京100048）

在公安警卫勤务中用阻车网拦截车辆的过程中，当地钉最大程度的损伤轮胎，且迫使车辆在较短距离内停止时，才能有效地拦截到车辆并保证车内人的安全。因此研究不同地钉对轮胎破坏及地钉自身损伤具有重要意义。分别数值模拟了3种外形、3种高度的地钉及5种钉头高度的地钉，并比较分析当轮胎以同一速度行驶时不同地钉对轮胎的阻碍作用及地钉自身应力分析。有限元仿真结果表明：对于高度相同的地钉，三侧面钉头对轮胎运动的阻碍作用最强；相同钉头的地钉，3种模拟高度中，地钉高度越高对轮胎阻碍作用越强；对相同钉头的地钉，地钉的损伤情况随着高度的增加而增加；钉头形状为圆锥形时最易发生塑性变形，钉头为三面和四面时，塑性变形差别不大；钉头高度为20 mm时对轮胎的破坏作用最强。

地钉；轮胎；有限元分析；动态特性

在公安警卫勤务工作中，经常遇到犯罪嫌疑人驾车逃逸的情况。犯罪嫌疑人驾车逃逸会对公民的生命及财产安全造成极大的损伤，因此需要在最短的时间内迫使逃逸车辆停驶。追击交通肇事逃逸者时，通常需要采用设置路障、布置路障或阻车网、使用破胎器等方式，迫使肇事车辆在拦截路段停下。现有的阻车设备主要包括［1］：①八九式阻车钉；②便捷式路障破胎器；③遥控阻车钉；④阻车网；⑤刚性拦截系统。目前由于安全轮胎的出现单纯的阻车钉并不能有效拦截装有安全轮胎的汽车，又刚性拦截系统容易对车辆和乘员造成致命性伤害，阻车网是用于执行任务时，在道路上临时铺设，对冲卡车辆的轮胎实施穿刺、缠绕，强制使其不能正常行驶而达到有效、快速拦截（犯罪嫌疑）车辆的专用装具。

阻车网既能增加拦截装有安全轮胎的几率又安全实用。在阻车网对车辆实行拦截的整个过程中，地钉对轮胎的破坏损伤强度对整个拦截的成功性非常重要：地钉刺入轮胎、牢固附着轮胎并且有效带动网体，将网体缠绕在轮胎上从而迫使车辆停止行驶。因此研究地钉穿刺轮胎的有效性对阻车网的设计具有重要的指导作用。地钉的外形和高度对地钉的刺入轮胎的性能有重要影响，但通过实验的方法研究不同地钉对轮胎的破坏作用是非常浪费人力财力的。随着有限元技术的发展，至今有多种有限元模拟方法应用于轮胎的数值模拟［2-6］，采用有限元法对轮胎进行力学分析是近年来研究的热点［7-9］。

运用Abaqus软件对地钉刺入轮胎这一动态过程进行数值模拟，比较分析当轮胎以同一速度行驶时不同地钉对轮胎的阻碍作用和自身应力分析，为设计阻车网提供参考依据。

1 几何模型

为了减少计算成本对轮胎模型做以下简化处理：轮胎模型外层为橡胶，内部充气。轮胎的几何模型图如图1所示，模型参数为195/55 R15。3种外形及3种高度及5种钉头高度的地钉的几何模型如图2：其中5种模型除总高度H外其他参数保持不变（h为20 mm，t为1.5 mm，r4为8.5 mm，r1为3.5 mm，r2为5 mm，r3为29.6 mm，r为3 mm，R为37.5 mm）；模型A、B、C的总高度不变（51.5 mm），地钉头部分别为圆锥形、四侧面和三侧面；模型B、D、E地钉头部外形相同，总高度H分别为51.5 mm、41.5 mm和61.5 mm，另外4种模型（F、G、H、I只有h与模型C不同，故不在图2中显示），（H-h）的值保持不变，钉头外形均为三侧面，钉头高度不同；总结如表1所示。

2 FEM有限元模型

动态模拟车辆行驶速度为50 km/h，地面简化为有限大刚体［10］，如图3所示。由图3知，地钉与轮胎、地面的相对位置以及相对尺寸大小都与实际情况相符。轮胎及地钉的网格剖分如图4所示。

表1 5种地钉几何参数

图1 轮胎几何模型

图2 不同高度及外形的地钉几何图

图3 轮胎、地钉、地面位置示意图

2.1 边界条件处理

轮胎与路面的接触部分及地钉接触轮胎的接触部分为接触边界，不考虑轮子口部位与轮毂的接触，因为主要对比研究不同地钉对轮胎的作用，故在保证设置条件及轮胎模型一致的情况下可对轮胎模型进行简化处理。

2.2 轮胎性能参数及载荷工况

轮胎的材料属性为超弹性材料，应变能密度函数采用Mooney-Rivlin模型［11］。地面和地钉材料属性分别为刚体［12］和简单的弹性变形体。轮胎与地面的摩擦系数为0.6（干燥情况）［13］，轮胎内压为0.2 MPa［2］。模拟普通轿车，车重为1.5 t，模拟时只取1/4模型（即只模拟一个轮胎），则轮胎受到1/4车重的重力，车速为50 km/h。

图4 有限元剖分

3 有限元结果分析

3.1 轮胎加速度、速度及能量损失

当轮胎以50 km/h的初速度撞向地钉时，由于地钉的阻碍作用，使得轮胎速度逐渐减小。图5为5种不同规格地钉对轮胎产生阻力的变化规律。由图5可知，阻力随着时间的增加先增加后降低。当地钉逐渐靠近轮胎并逐渐进入轮胎的过程中地钉对轮胎的阻力逐渐增加，但是随着钉头逐渐发生塑形，钉尾逐渐出现损伤，这种阻碍作用便逐渐减弱，直到最后地钉随着轮胎逐渐脱离地面。图6为5种不同规格地钉对轮胎行驶速度的影响，图7为5种不同规格地钉对轮胎损失动能的影响，表明C地钉模型使得轮胎能量的损失最大，其次是E模型；图8为不同钉头高度h的地钉对轮胎速度的影响，图9为不同钉头高度h的地钉对轮胎损失能量的影响；由图5～图7知，C、E两个地钉模型的阻碍作用相较于其他3个模型较为显著；由图8～图9知钉头高度为20 mm时地钉的阻碍作用较强即模型C。

3.2 地钉塑性变形及损伤

地钉在拦截目标车辆时，当地钉刺入轮胎后，带动网体缠绕在轮胎上从而迫使车辆停止行驶。首先要保证地钉在刺入轮胎前，钉头部位尽量不出现或少出现塑性变形，因为塑性变形会大幅度降低钉头的穿透作用。此外，还应该保证在钉子穿透轮胎之前，避免钉体受到弯曲作用，使地钉与下盘连接部位发生折断。地钉刚接触轮胎之后的0.5 μs时间内（假设这段时间，地钉没有完全进入轮胎），分析地钉的受力云图及钉头的塑性变形情况。

图5 5种不同规格地钉对轮胎加速度的影响

图6 5种不同规格地钉对轮胎行驶速度的影响

图7 5种不同规格地钉对轮胎损失能量的影响

图8 不同钉头高度h的地钉对轮胎速度的影响

图9 不同钉头高度h的地钉对轮胎损失能量的影响

图10为不同模型中地钉的损伤云图。当地钉总高度为61.5 mm时，地钉受到的应力最大，且最容易发生根部断裂；相反，当地钉的总高度为41.5mm时，受到的应力最小，最不易发生断裂。此外，圆锥形的钉头最易发生塑性变形，三面和四面的钉头的塑性变形差别不大。

图10 不同规格地钉的损伤云图

4 结论

通过对不同外形及高度的地钉进行有限元分析，比较了不同地钉对以恒定速度行驶的轮胎的阻碍作用及地钉自身塑性变形及应力云图。对于高度相同的地钉，三侧面钉头对轮胎运动的阻碍作用最强；相同外形的地钉，3种模拟高度中，地钉高度越高对轮胎阻碍作用越强；对不同高度的钉头，钉头高度为20 mm时对轮胎的阻碍作用最强；对相同外形的地钉，地钉的损伤情况随着高度的增加而增加；钉头形状为圆锥形时最易发生塑性变形，钉头为三面和四面时，塑性变形差别不大。总之，C模型（三侧面高度为51.5）对轮胎阻碍作用强，且自身损伤程度较小，钉头不易发生塑性变形，因此C模型地钉性能较为优越，可作为阻车网中地钉的参考模型。

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（责任编辑唐定国）

Dynamic Finite Element Analysis for Effect on Vehicle Tire of Ground Nail in Car Stopping Net

HE Xiang，NI Jun-jie
（The first Research Institute of the Ministry of Public Security of PRC，Beijing 100048，China）

In the public security guard duty with car stopping net to intercept vehicles，the greatest degree of damage to the tire and force the vehicle to stop in a short distance，so as to effectively intercept to the vehicle is ground nail.Therefore，it is significant to study the failure of automobile tires and the damage of the ground nail.Three kinds of nail shape，three kinds of nail height and five kinds of nail heads were simulated.Different blocking effect of nails to stop the same speed tire and its stress were also completed. Finite element Simulation results show：three side nail heads to stop car is the strongest for the same height of the nail；and for the same nail head nail，the higher the height of the ground nail，the better effect to stop the tire，but the damage of the ground nail increases with the increase of height；the conical nail head shapemost easily occurred plastic deformation，and the nail head for three and four sides occurred plastic deformation is not very different；and the nail head height of 20 mm to stop tire failure has the strongest effect.

ground nail；tire；finite element analysis；dynamic characteristics

何湘，倪君杰.阻车网地钉对汽车轮胎作用的动态有限元分析［J］.四川兵工学报，2015（11）：82-85.

format：HE Xiang，NI Jun-jie.Dynamic Finite Element Analysis for Effect on Vehicle Tire of Ground Nail in Car Stopping Net［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2015（11）：82-85.

U461.6

A

1006-0707（2015）11-0082-04

10.11809/scbgxb2015.11.022

2015-05-28

何湘（1973—），女，工程师，主要从事警用特种装备的研发。