沟槽磨损对飞机轮胎滑水影响仿真分析

蔡 靖，许 诤

（中国民航大学机场学院，天津 300300）

飞机在湿滑跑道滑行过程中的滑水现象是威胁飞机运行安全的重要因素之一。轮胎滑水现象是指轮胎在高速驶过有积水的路面或道面时所受到积水产生的动水压力等于甚至超过轴载，使得轮胎与地面接触力降低，失去操控性的现象。据统计[1]表明，在众多造成飞机冲/偏出跑道事故的影响因素中，跑道湿滑被认为是最主要的影响因素之一。轮胎滑水现象最初在汽车轮胎领域被广泛研究[2-3]，但由于飞机轮胎具有不同于汽车轮胎的特性，其拥有更大尺寸和更高胎压，因此有必要针对飞机轮胎滑水现象进行研究。

在轮胎滑水研究方面，飞机轮胎滑水现象最经典的研究是20 世纪60年代由美国国家航空航天局（NASA）设计进行的轮胎滑水试验[4]，通过设计飞机轮胎滑水试验装置模拟飞机在积水道面高速行驶的过程，试验得到了轮胎滑水的影响因素为胎压、水流速度、轮胎有无沟槽等，这个结论被广大学者所接受；此后，Gilbert 等[5]设计了单轮胎滑水试验台，对道面粗糙度、轮胎胎纹深度、胎压和载重等因素对轮胎滑水性能的影响展开了研究；Ong 等[6]Chim 等[7]通过建立轮胎滑水三维有限元模型，研究了飞机制动系数与轮胎胎纹类型、胎压之间的关系；吴华伟等[8]定性分析了不同起落架构型轮胎与积水道面间的相互作用；赵鸿铎等[9]通过设计摩擦系数测试试验，研究了不同水膜厚度的沥青道面摩擦系数，为轮胎滑水研究提供了参考；蔡靖等[10]运用流体分析软件Fluent 建立带有纵向花纹的轮胎接地断面二维有限元模型，模拟轮胎受水流冲击的过程。但这些学者对于飞机轮胎纹理因素的研究大都停留在胎面有无沟槽对轮胎滑水性能的影响，并没有研究轮胎胎纹磨损对抗滑性能的影响。作为飞机最易损耗的部件之一，轮胎磨损带来的安全隐患应该被航空界所重视。

因此，针对飞机轮胎在运行过程中产生的胎纹磨损对轮胎滑水性能的影响，首先利用ABAQUS 有限元软件，建立考虑沟槽磨损的飞机轮胎滑水有限元流固耦合分析模型；其次分析不同程度磨损的轮胎在驶入积水区域时轮胎—水膜—道面相互作用情况的变化，并计算得到不同磨损情况下轮胎的临界滑水速度；最后结合现行飞机轮胎更换标准提出考虑实际沟槽磨损程度的飞机轮胎更换标准。

1 飞机轮胎的磨损现状

轮胎是飞机重要的零部件之一，飞机起飞和降落过程中的地面滑跑阶段都依靠轮胎与道面的相互作用来产生支撑力及摩擦力。飞机轮胎一般由胎面层、帘线层和内衬层等组成，依据内部帘线布设方法的不同还可以分为子午胎和斜交胎，如图1所示。胎面层由橡胶制成，在胎面上一般会有纵向沟槽，使轮胎具有一定的排水能力，在湿滑道面上相较于光滑轮胎具有更好的防滑性能。

汽车轮胎方面的相关研究表明，轮胎纹路、沟槽宽度和深度及数量都会对轮胎的抗滑性能产生影响，但飞机轮胎有着更高的胎压和荷载，且胎面大都只有纵向沟槽，因此飞机轮胎较汽车轮胎更易磨损。在飞机降落过程中，飞机接地时轮胎将与道面发生剧烈摩擦，导致每次接地后轮胎都会损失一定量的橡胶，从而导致飞机轮胎具有非常高的磨损速率，如图2所示，轮胎磨损带来的安全影响不容忽视。

图1 子午胎与斜交胎的构造Fig.1 Structure of meridian and diagonal tires

图2 机场跑道接地带积胶与磨损轮胎Fig.2 Rubber accumulation on runway landing strip and abrasion tires

对于此类状况，各类航空公司针对不同的轮胎制造商制定了相关的轮胎更换标准，某航空公司的更换标准如表1所示。

表1 某航空公司不同品牌轮胎的更换标准Tab.1 One airliner’s replacement standards for different brands of tires

由表1可知，对于不同品牌的轮胎，航空公司的更换标准不尽相同。对比各种品牌轮胎的更换标准可发现，其更换时机大都是当轮胎沟槽磨损完毕时进行轮胎更换。然而轮胎沟槽是轮胎排水的重要手段，沟槽深度势必会影响轮胎驶过积水道面时的排水效率。当轮胎磨损使得沟槽深度降低但并未达到轮胎更换标准时，必然会影响轮胎在湿滑道面的行驶安全。因此，将通过建立不同磨损程度的轮胎—水膜—道面相互作用有限元模型以分析轮胎磨损程度对轮胎积水道面行驶时滑水性能的影响。

2 轮胎磨损的滑水流固耦合模型的建立

2.1 轮胎磨损模型

根据现有轮胎更换标准，定义轮胎磨损率为剩余胎纹沟槽的深度与新轮胎胎纹沟槽深度的百分比，新轮胎的磨损率为0，达到现有更换标准（胎纹磨平）轮胎的磨损率为100%。分别选取磨损率为0、25%、50%、75%、100%的轮胎建立轮胎磨损有限元模型。

首先，根据实测轮胎尺寸利用CAD 绘出轮胎模型的1∶1 比例断面图；然后，将轮胎的断面图导入ABAQUS中，利用Sweep 工具将断面沿滚动轴扫掠360°建立完整轮胎模型。选取A320 主起落架轮胎进行建模研究，轮胎型号为46×17.0R20。将轮胎内部帘线与胎面等效为具有统一弹性模量的超弹性均质橡胶材料[11-12]，模型及材料参数如表2～表3所示。

表2 轮胎几何参数Tab.2 Tire geometric parameters

表3 轮胎材料参数Tab.3 Tire material parameters

轮胎的单元类型采用8 节点线性六面体减缩积分单元（C3D8R 或拉格朗日单元）。在进行网格划分时，为使网格划分更为均匀，采用中性轴扫掠方式进行网格划分。不同磨损状态轮胎的截面图及网格划分如图3所示。

图3 不同磨损程度轮胎截面Fig.3 Cross sections of tires with different abrasion levels

2.2 积水道面模型

由于计算效率的限制，完全模拟飞机轮胎在大范围跑道上的滑水是不现实的，考虑到轮胎滑水现象的本质是高速滚动的轮胎—水膜—道面三者之间相互作用问题，用高速水流冲刷原地滚动轮胎的方式来代替高速滚动轮胎冲击静止水膜来进行模型建立。

取积水模型的尺寸为1 m×1 m×0.3 m。积水模型采用欧拉单元建模，模型上部分为空气层，空气层的网格层数为7 层，并沿厚度方向均匀变化；下部分为积水层，网格层数随厚度均匀划分为3～5 层，根据文献[13]，取积水层材料参数如表4所示。

表4 积水层材料参数Tab.4 Material parameters of water film

道面模型尺寸为1.5 m×1.5 m，采用壳单元建模，单元类型为S4R。

2.3 轮胎—水膜—道面相互作用模型

轮胎滑水现象是轮胎—积水—道面三者相互作用的过程，其中轮胎与道面是固态，积水是液态，是一个流固耦合的过程。为了使模型计算更稳定并易于收敛，采用ABAQUS 的CEL 算法进行分析。

将轮胎模型的轮毂与转动中心耦合，然后将模型从上到下按照轮胎—水膜—道面的位置进行组合装配，并使三者的中心位于一条线上，形成轮胎—水膜—道面流固耦合模型如图4所示。为形成稳定的高速水流场，在水膜层底部和轮胎前进方向的两侧设置0 速度边界，并对水膜区施加9.8 m/s2的局部重力场；在水膜区的前段设置水泵区，定义此区域的材料为积水，其余欧拉网格的材料为空气，并在水泵区的前缘截面以及水膜区相应的后缘截面分别设定流域入口（inlet）和流域出口（outlet）。

图4 考虑轮胎磨损的轮胎滑水有限元模型Fig.4 Tire hydroplaning finite element model considering tire abrasion

赋予水泵区一定速度以产生高速水流；给轮胎内壁施加压力来模拟充气轮胎，并在轮胎的转动中心设置与水流速度匹配的转速来模拟轮胎以低于10%的滑移率在湿滑道面上运行的状态。

3 轮胎磨损对滑水性能的影响分析

对于A320 机型，飞机在降落滑跑过程中的速度[14]大致为30～250 km/h，而《航空承运人湿跑道和污染跑道运行管理规定》[15]规定，当跑道积水深度超过13 mm时禁止飞机起降。因此，选取速度范围为30～250 km/h，水膜厚度为3 mm、5 mm、7.66 mm、9 mm、11 mm、13 mm进行磨损轮胎的多工况滑水分析。

3.1 轮胎—水膜—道面相互作用分析

为了研究轮胎磨损程度对轮胎—水膜—道面相互作用状态的影响，选取7.66 mm 工况水膜为例，提取不同磨损程度下轮胎速度为170 km/h 时水膜区压力云图，如图5所示，其中白色轮廓区域为轮胎模型；轮胎前缘的深色区域为动水压强峰值区域；周围区域为积水。

图5 流速170 km/h 时水膜区动水压强云图Fig.5 Hydrodynamic pressure nephogram of waterfilm region at 170 km/h

从图5可知，水流在冲击轮胎时被轮胎分流到了两侧，并在轮胎的前缘形成了动水压强的峰值区域；当轮胎磨损率低于50%时，可以明显看到水流通过轮胎沟槽排向了轮胎后方，且轮胎前缘的动水压强峰值区域明显减小，水流产生的动水压力更低；当磨损率高于50%时，水流并非沿着轮胎沟槽向后排出，而是更多地侵入到了轮胎与地面接触区域，同时动水压强的峰值区域也更大，即轮胎所受的动水压力较高。

由此可见，当轮胎的磨损程度达到50%以上时，轮胎沟槽的排水能力将急剧下降，越来越多的水越过轮胎沟槽侵入到了轮胎与道面的接触区域，极大地影响了轮胎与道面的接触特性。可见在轮胎的磨损达到了更换标准的50%时，轮胎的滑水性能已经有明显降低。

3.2 受道面支撑力的影响分析

为了更深入地研究轮胎磨损给轮胎—道面—水膜相互作用带来的影响，继续以7.66 mm 水膜厚度为工况，选取更能反映轮胎—水膜—道面相互作用特性的道面支撑力作为参数，提取不同磨损程度轮胎道面支撑力随速度的变化曲线，如图6所示。

图6 不同磨损率轮胎道面支撑力变化Fig.6 Pavement support force variation with different abrasion rates

从图6中可知，随着轮胎速度的增加，其所受的道面支撑力逐渐下降，下降的过程分为3 段：当速度低于50～80 km/h 时下降趋势较缓慢；当速度达到80～100 km/h 时，道面支撑力迅速下降；随后下降速率逐渐变缓，道面支撑力逐渐减小至0，轮胎发生滑水。

对比不同磨损率的轮胎可发现，轮胎磨损率越高，道面支撑力迅速下降段的速度范围越低，道面支撑力也将越快减小至0；同时，当磨损率超过50%之后，道面支撑力迅速下降段的速度范围将降低20 km/h，为60～80 km/h。这个速度范围正处于大量主流机型着陆时的速度范围，此时飞机轮胎滑水危险性会显著增加。

为进一步研究轮胎磨损率超过一定值时抗滑性能显著降低的现象，采用更为直接表述滑水性能的参数临界滑水速度来探究其与磨损率之间的量化关系。

3.3 轮胎临界滑水速度的影响分析

将道面支撑力降低为0 时的速度定义为临界滑水速度，提取不同水膜厚度情况下不同磨损率轮胎的临界滑水速度如表5所示，并将临界滑水速度整理为曲线，如图7所示。

由表5可知，在相同水膜厚度情况下，轮胎的磨损率越高，其临界滑水速度越低，达到更换标准的轮胎（即磨损率为100%）的临界滑水速度较新轮胎降低约为25%，可见轮胎沟槽的磨损对轮胎的滑水性能影响较大。

表5 多水膜厚度工况下不同磨损率轮胎的临界滑水速度Tab.5 Critical hydroplaning speed of tires with different abrasion rates under various film thickness conditions

图7 不同磨损率轮胎临界滑水速度与水膜厚度关系曲线Fig.7 Critical hydroplaning speed vs.waterfilm thickness with different abrasion rates

从图7可知，当水膜厚度低于5 mm 时，轮胎磨损率超过75%时轮胎的临界滑水速度降低幅度达到20%左右；而当水膜厚度为7.66 mm 和10 mm 时，轮胎滑水速度大幅下降时对应的磨损率分别为50%和25%；当水膜厚度为13 mm 时，道面水膜厚度已经超过轮胎的沟槽深度，此时的临界滑水速度降低到了一个较为危险的水平（150 km/h），低于大多数主流机型降落时的滑跑速度，这也与《航空承运人湿跑道和污染跑道运行管理规定》中规定的“超过13 mm 积水禁止飞机起降”一致。

由此可见，轮胎磨损率使轮胎滑水速度降低的程度与水膜厚度相关，当轮胎磨损到沟槽深度小于道面水膜厚度时，轮胎的临界滑水速度将大大降低，降低幅度可达16%～21%。

4 结语

通过建立考虑轮胎磨损率的轮胎滑水有限元模型，分析了不同磨损率轮胎的滑水性能，得到结论如下：

1）轮胎磨损对轮胎的滑水性能影响较为明显，磨损达到某一程度时，轮胎沟槽的排水能力明显下降，所受到的道面支撑力急剧下降。

2）随着轮胎磨损率的增加，其临界滑水速度并非线性降低，当磨损率达到使轮胎沟槽深度小于当前道面的水膜厚度时，轮胎临界滑水速度的下降幅度将达16%～21%。

3）现有轮胎的更换标准即当轮胎磨损率达到100%时更换已经不适合于衡量轮胎在湿滑道面的性能表现。根据研究结果，建议当轮胎磨损率达到50%以上时可以进行轮胎更换。

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