何湘，倪君杰

（公安部第一研究所，北京100048）

【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】

阻車網(wǎng)地釘對(duì)汽車輪胎作用的動(dòng)態(tài)有限元分析

何湘，倪君杰

（公安部第一研究所，北京100048）

在公安警衛(wèi)勤務(wù)中用阻車網(wǎng)攔截車輛的過(guò)程中，當(dāng)?shù)蒯斪畲蟪潭鹊膿p傷輪胎，且迫使車輛在較短距離內(nèi)停止時(shí)，才能有效地?cái)r截到車輛并保證車內(nèi)人的安全。因此研究不同地釘對(duì)輪胎破壞及地釘自身?yè)p傷具有重要意義。分別數(shù)值模擬了3種外形、3種高度的地釘及5種釘頭高度的地釘，并比較分析當(dāng)輪胎以同一速度行駛時(shí)不同地釘對(duì)輪胎的阻礙作用及地釘自身應(yīng)力分析。有限元仿真結(jié)果表明：對(duì)于高度相同的地釘，三側(cè)面釘頭對(duì)輪胎運(yùn)動(dòng)的阻礙作用最強(qiáng)；相同釘頭的地釘，3種模擬高度中，地釘高度越高對(duì)輪胎阻礙作用越強(qiáng)；對(duì)相同釘頭的地釘，地釘?shù)膿p傷情況隨著高度的增加而增加；釘頭形狀為圓錐形時(shí)最易發(fā)生塑性變形，釘頭為三面和四面時(shí)，塑性變形差別不大；釘頭高度為20 mm時(shí)對(duì)輪胎的破壞作用最強(qiáng)。

地釘；輪胎；有限元分析；動(dòng)態(tài)特性

在公安警衛(wèi)勤務(wù)工作中，經(jīng)常遇到犯罪嫌疑人駕車逃逸的情況。犯罪嫌疑人駕車逃逸會(huì)對(duì)公民的生命及財(cái)產(chǎn)安全造成極大的損傷，因此需要在最短的時(shí)間內(nèi)迫使逃逸車輛停駛。追擊交通肇事逃逸者時(shí)，通常需要采用設(shè)置路障、布置路障或阻車網(wǎng)、使用破胎器等方式，迫使肇事車輛在攔截路段停下?，F(xiàn)有的阻車設(shè)備主要包括［1］：①八九式阻車釘；②便捷式路障破胎器；③遙控阻車釘；④阻車網(wǎng)；⑤剛性攔截系統(tǒng)。目前由于安全輪胎的出現(xiàn)單純的阻車釘并不能有效攔截裝有安全輪胎的汽車，又剛性攔截系統(tǒng)容易對(duì)車輛和乘員造成致命性傷害，阻車網(wǎng)是用于執(zhí)行任務(wù)時(shí)，在道路上臨時(shí)鋪設(shè)，對(duì)沖卡車輛的輪胎實(shí)施穿刺、纏繞，強(qiáng)制使其不能正常行駛而達(dá)到有效、快速攔截（犯罪嫌疑）車輛的專用裝具。

阻車網(wǎng)既能增加攔截裝有安全輪胎的幾率又安全實(shí)用。在阻車網(wǎng)對(duì)車輛實(shí)行攔截的整個(gè)過(guò)程中，地釘對(duì)輪胎的破壞損傷強(qiáng)度對(duì)整個(gè)攔截的成功性非常重要：地釘刺入輪胎、牢固附著輪胎并且有效帶動(dòng)網(wǎng)體，將網(wǎng)體纏繞在輪胎上從而迫使車輛停止行駛。因此研究地釘穿刺輪胎的有效性對(duì)阻車網(wǎng)的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用。地釘?shù)耐庑魏透叨葘?duì)地釘?shù)拇倘胼喬サ男阅苡兄匾绊?，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究不同地釘對(duì)輪胎的破壞作用是非常浪費(fèi)人力財(cái)力的。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，至今有多種有限元模擬方法應(yīng)用于輪胎的數(shù)值模擬［2-6］，采用有限元法對(duì)輪胎進(jìn)行力學(xué)分析是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)［7-9］。

運(yùn)用Abaqus軟件對(duì)地釘刺入輪胎這一動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，比較分析當(dāng)輪胎以同一速度行駛時(shí)不同地釘對(duì)輪胎的阻礙作用和自身應(yīng)力分析，為設(shè)計(jì)阻車網(wǎng)提供參考依據(jù)。

1 幾何模型

為了減少計(jì)算成本對(duì)輪胎模型做以下簡(jiǎn)化處理：輪胎模型外層為橡膠，內(nèi)部充氣。輪胎的幾何模型圖如圖1所示，模型參數(shù)為195/55 R15。3種外形及3種高度及5種釘頭高度的地釘?shù)膸缀文Ｐ腿鐖D2：其中5種模型除總高度H外其他參數(shù)保持不變（h為20 mm，t為1.5 mm，r4為8.5 mm，r1為3.5 mm，r2為5 mm，r3為29.6 mm，r為3 mm，R為37.5 mm）；模型A、B、C的總高度不變（51.5 mm），地釘頭部分別為圓錐形、四側(cè)面和三側(cè)面；模型B、D、E地釘頭部外形相同，總高度H分別為51.5 mm、41.5 mm和61.5 mm，另外4種模型（F、G、H、I只有h與模型C不同，故不在圖2中顯示），（H-h）的值保持不變，釘頭外形均為三側(cè)面，釘頭高度不同；總結(jié)如表1所示。

2 FEM有限元模型

動(dòng)態(tài)模擬車輛行駛速度為50 km/h，地面簡(jiǎn)化為有限大剛體［10］，如圖3所示。由圖3知，地釘與輪胎、地面的相對(duì)位置以及相對(duì)尺寸大小都與實(shí)際情況相符。輪胎及地釘?shù)木W(wǎng)格剖分如圖4所示。

表1 5種地釘幾何參數(shù)

圖1 輪胎幾何模型

圖2 不同高度及外形的地釘幾何圖

圖3 輪胎、地釘、地面位置示意圖

2.1 邊界條件處理

輪胎與路面的接觸部分及地釘接觸輪胎的接觸部分為接觸邊界，不考慮輪子口部位與輪轂的接觸，因?yàn)橹饕獙?duì)比研究不同地釘對(duì)輪胎的作用，故在保證設(shè)置條件及輪胎模型一致的情況下可對(duì)輪胎模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

2.2 輪胎性能參數(shù)及載荷工況

輪胎的材料屬性為超彈性材料，應(yīng)變能密度函數(shù)采用Mooney-Rivlin模型［11］。地面和地釘材料屬性分別為剛體［12］和簡(jiǎn)單的彈性變形體。輪胎與地面的摩擦系數(shù)為0.6（干燥情況）［13］，輪胎內(nèi)壓為0.2 MPa［2］。模擬普通轎車，車重為1.5 t，模擬時(shí)只取1/4模型（即只模擬一個(gè)輪胎），則輪胎受到1/4車重的重力，車速為50 km/h。

圖4 有限元剖分

3 有限元結(jié)果分析

3.1 輪胎加速度、速度及能量損失

當(dāng)輪胎以50 km/h的初速度撞向地釘時(shí)，由于地釘?shù)淖璧K作用，使得輪胎速度逐漸減小。圖5為5種不同規(guī)格地釘對(duì)輪胎產(chǎn)生阻力的變化規(guī)律。由圖5可知，阻力隨著時(shí)間的增加先增加后降低。當(dāng)?shù)蒯斨饾u靠近輪胎并逐漸進(jìn)入輪胎的過(guò)程中地釘對(duì)輪胎的阻力逐漸增加，但是隨著釘頭逐漸發(fā)生塑形，釘尾逐漸出現(xiàn)損傷，這種阻礙作用便逐漸減弱，直到最后地釘隨著輪胎逐漸脫離地面。圖6為5種不同規(guī)格地釘對(duì)輪胎行駛速度的影響，圖7為5種不同規(guī)格地釘對(duì)輪胎損失動(dòng)能的影響，表明C地釘模型使得輪胎能量的損失最大，其次是E模型；圖8為不同釘頭高度h的地釘對(duì)輪胎速度的影響，圖9為不同釘頭高度h的地釘對(duì)輪胎損失能量的影響；由圖5～圖7知，C、E兩個(gè)地釘模型的阻礙作用相較于其他3個(gè)模型較為顯著；由圖8～圖9知釘頭高度為20 mm時(shí)地釘?shù)淖璧K作用較強(qiáng)即模型C。

3.2 地釘塑性變形及損傷

地釘在攔截目標(biāo)車輛時(shí)，當(dāng)?shù)蒯敶倘胼喬ズ螅瑤?dòng)網(wǎng)體纏繞在輪胎上從而迫使車輛停止行駛。首先要保證地釘在刺入輪胎前，釘頭部位盡量不出現(xiàn)或少出現(xiàn)塑性變形，因?yàn)樗苄宰冃螘?huì)大幅度降低釘頭的穿透作用。此外，還應(yīng)該保證在釘子穿透輪胎之前，避免釘體受到彎曲作用，使地釘與下盤連接部位發(fā)生折斷。地釘剛接觸輪胎之后的0.5 μs時(shí)間內(nèi)（假設(shè)這段時(shí)間，地釘沒(méi)有完全進(jìn)入輪胎），分析地釘?shù)氖芰υ茍D及釘頭的塑性變形情況。

圖5 5種不同規(guī)格地釘對(duì)輪胎加速度的影響

圖6 5種不同規(guī)格地釘對(duì)輪胎行駛速度的影響

圖7 5種不同規(guī)格地釘對(duì)輪胎損失能量的影響

圖8 不同釘頭高度h的地釘對(duì)輪胎速度的影響

圖9 不同釘頭高度h的地釘對(duì)輪胎損失能量的影響

圖10為不同模型中地釘?shù)膿p傷云圖。當(dāng)?shù)蒯斂偢叨葹?1.5 mm時(shí)，地釘受到的應(yīng)力最大，且最容易發(fā)生根部斷裂；相反，當(dāng)?shù)蒯數(shù)目偢叨葹?1.5mm時(shí)，受到的應(yīng)力最小，最不易發(fā)生斷裂。此外，圓錐形的釘頭最易發(fā)生塑性變形，三面和四面的釘頭的塑性變形差別不大。

圖10 不同規(guī)格地釘?shù)膿p傷云圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同外形及高度的地釘進(jìn)行有限元分析，比較了不同地釘對(duì)以恒定速度行駛的輪胎的阻礙作用及地釘自身塑性變形及應(yīng)力云圖。對(duì)于高度相同的地釘，三側(cè)面釘頭對(duì)輪胎運(yùn)動(dòng)的阻礙作用最強(qiáng)；相同外形的地釘，3種模擬高度中，地釘高度越高對(duì)輪胎阻礙作用越強(qiáng)；對(duì)不同高度的釘頭，釘頭高度為20 mm時(shí)對(duì)輪胎的阻礙作用最強(qiáng)；對(duì)相同外形的地釘，地釘?shù)膿p傷情況隨著高度的增加而增加；釘頭形狀為圓錐形時(shí)最易發(fā)生塑性變形，釘頭為三面和四面時(shí)，塑性變形差別不大?？傊?，C模型（三側(cè)面高度為51.5）對(duì)輪胎阻礙作用強(qiáng)，且自身?yè)p傷程度較小，釘頭不易發(fā)生塑性變形，因此C模型地釘性能較為優(yōu)越，可作為阻車網(wǎng)中地釘?shù)膮⒖寄Ｐ汀?/p>

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（責(zé)任編輯唐定國(guó)）

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.阻車網(wǎng)地釘對(duì)汽車輪胎作用的動(dòng)態(tài)有限元分析［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，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，工程師，主要從事警用特種裝備的研發(fā)。