摘要
我国颁布实施的《绿色轮胎技术规范》指出：我国的轮胎产品应朝着低行驶噪声、低燃油消耗率、更短的制动距离以及更好的耐磨性等方向发展。然而，在轮胎产品的研发过程中，欲提升其某一性能时，往往要以牺牲其他性能作为代价。轮胎的诸多性能间存在矛盾特性，即便通过改善橡胶材料的配比和轮胎胎体的结构，目前也还不能得以有效解决。随着仿生学理念在轮胎中的融会通浃，研究仿生轮胎有望成为协同提升轮胎诸多性能的一种方法。为此，本文以轮胎噪声和抓地性能为研究重点，在明晰二者间矛盾特性的作用机理基础上，选取家猫爪垫运动时展现出的良好减振静音、强抓地生物功能特性作为仿生源，以AU01205/55R16型轮胎作为仿生对象并对其胎面花纹结构展开耦合仿生设计，以期解决轮胎噪声和抓地性能间的矛盾特性，达到协同提升的目的。 为明晰轮胎噪声和抓地性能间矛盾机理，使用VIC-3D全场非接触变形测试系统获取了10条试验轮胎额定载荷作用下的胎面接地变形特性参数；利用相关性分析法筛选出与轮胎噪声和抓地性能呈高相关性的胎面接地变形特性参数，并拟合出表征轮胎噪声和抓地性能的多元线性回归方程。在此基础上，利用轮胎噪声和抓地性能的高相关性接地变形特性参数明晰了二者间矛盾机理，揭示了胎面外过渡区是轮胎噪声和抓地性能间的主要矛盾区域。同时，利用试验设计方法分析了胎面不同子区域对轮胎噪声和抓地性能的贡献度，结果表明：对轮胎噪声、抓地性能贡献度最大的胎面子区域分别是胎面中心区域、胎面外胎肩区域。 为揭示家猫爪垫良好减振静音、强抓地生物功能特性的实现机理，分别从家猫爪垫的组织学和运动力学两方面展开试验研究。一方面，通过家猫爪垫的组织染色观测、电镜扫描观测以及准静态压缩试验发现，家猫爪垫的微观组织结构呈现出三层耦合结构特征，且分别具有不同的材料力学特性：复层上皮层的刚弹性、真皮层的粘弹性以及皮下组织层的超弹性特性。同时，家猫爪垫呈现出在不同变形下的非线性变刚度材料力学特性。另一方面，借助Tekscan压力分布测量系统和VIC-2D平面非接触变形测试系统对家猫不同步态下的爪垫接地力学特性展开研究。通过对比不同步态下家猫爪垫在接地几何、接地压力、接地变形分布等接地力学特性参数上的差异性，解析了家猫爪垫在形态、结构与力学效应上的适应性调整规律与生物功能特性间的关联关系。进而分别从接地压力角度揭示了爪垫良好减振静音生物功能特性的实现机理；从接地几何和接地变形分布角度揭示了爪垫强抓地生物功能特性的实现机理。 生物功能特性的实现机理，是由多个彼此依存又互相影响的生物耦元，遵循恰当的机制耦合作用的结果。家猫爪垫良好减振静音生物功能特性是由爪垫的生物组织材料特性耦元、运动特征耦元两方面耦合作用的结果；家猫爪垫强抓地生物功能特性是由爪垫的接地几何特征耦元、接地变形特性耦元两方面耦合作用的结果。为探寻家猫爪垫良好减振静音生物耦元功能在轮胎产品上等效移植的仿生方法，提出一种胎面非对称仿蜂巢六边形凹坑花纹结构。研究表明，该仿生结构实现了家猫爪垫良好减振静音生物耦元的功能特征，改善了轮胎滚动时的胎面-路面间径向激励力，提升了轮胎的减振性能。 选取AU01205/55R16轮胎作为仿生对象，完成了对胎面花纹结构的耦合仿生设计，以将家猫爪垫良好减振静音、强抓地生物功能特性的实现机理等效移植到轮胎产品中。有限元仿真分析发现，相较于原始轮胎，耦合仿生轮胎改善了胎面-路面间滚动接触时的径向激励力，增大了胎面接地区在X方向上的应变分布；实现了噪声值降低1.16dB，抓地力增大53.21N的仿生效果，协同提升了轮胎的噪声和抓地性能。同时，基于耦合仿生效能理论，提出耦合仿生轮胎仿生效能评价方法。评价结果表明，耦合仿生轮胎相较于原始轮胎，仿生效能提升了12.2%。
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