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摘要：利用catia軟件的三維設計功能完成塊狀花紋輪胎的三維造型，同時利用其強大的體積求解功能求解出輪胎各部件的體積，然后根據(jù)橡膠的不可壓縮性，通過分割重組等方法較為精確地計算出輪胎施工半成品的結構和尺寸，可克服通過AutoCAD進行輪胎體積估算誤差較大的缺點。

關鍵詞：輪胎；花紋造型；施工設計

交通運輸業(yè)的快速發(fā)展極大地帶動了輪胎行業(yè)的進步，市場對輪胎品種和規(guī)格的需求也越來越多，加之市場變化加快，縮短輪胎的開發(fā)周期是擺在輪胎企業(yè)面前的一個重要課題，而精確計算輪胎半成品的尺寸和質(zhì)量是整個開發(fā)過程中的重要一環(huán)。赫泳濤等[1]利用計算機輔助設計（CAD）三維輪胎數(shù)字化模型，基于CATIA與VBA語言開發(fā)出一套輪胎設計系統(tǒng)，并準確繪制出各種花紋溝；董玉德等[2]以CATIA/CAA為二次開發(fā)平臺設計了一套輪胎花紋語義，提高了花紋設計效率和智能化程度；葛華輝等[3]利用VisualC語言對Solidworks進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了輪胎花紋智能化設計；張萍等[4]基于UG軟件通過對CAD平臺的二次開發(fā)實現(xiàn)了輪胎模具快速造型。此類方法雖然可高效快速實現(xiàn)花紋設計，但需要設計者精通計算機語言，而且無法較好地應用于實際施工中。陳振藝[5]利用CATIA的簡單實體功能實現(xiàn)了輪胎花紋三維造型；丁海峰等[6]利用CATIA的曲面造型功能完成了輪胎三維造型；此類方法局限性高、誤差大。傳統(tǒng)的輪胎施工設計一般采用AutoCAD計算半成品的體積，對于復雜花紋部分則無法直接計算，只能根據(jù)花紋飽和度進行估算，得到的體積會有較大的誤差[7]。本研究結合前人經(jīng)驗，基于橡膠材料的泊松比約為0.5的特性，利用CATIA對復雜花紋輪胎進行三維造型，并對精確施工設計進行探索。

1基于CATIA的輪胎花紋造型

輪胎施工過程中，胎面造型是最大的難點之一，花紋的三維造型則是胎面造型的最大難點。以12R22.5輪胎為例，利用CATIA完成塊狀花紋輪胎三維圖形的步驟如下。步驟一：首先利用AutoCAD繪制花紋的平面二維圖及輪胎截面的二維輪廓圖，并對二維花紋圖進行簡單的處理，保留一個花紋節(jié)距；同時為了方便胎肩造型，根據(jù)胎肩尺寸對輪胎截面輪廓圖進行簡單處理，如圖1和2所示。步驟二：將二維圖導入CATIA，并繪制一個節(jié)距的胎面部分。過胎面一點繪制一個平面作為花紋草圖的繪制面。（1）縱向花紋溝造型。分別將各縱向花紋溝的曲線草圖展開到輪胎胎面上，然后利用掃掠功能生成一個曲面，為保證切割較為徹底，對掃掠面進行外插延伸，然后通過切割命令生成一個縱向花紋溝造型，如圖3所示。重復此方法，切割出一個節(jié)距上所有的縱向花紋溝。（2）橫向花紋溝造型。分別將各橫向花紋溝的草圖展開到輪胎胎面上，此時一個花紋節(jié)距的范圍無法包含所有的橫向花紋草圖，因此通過旋轉(zhuǎn)命令增加2個花紋節(jié)距，同樣利用掃掠、切割等命令得到所有的橫向花紋溝造型。一個橫向花紋溝造型如圖4所示。（3）胎肩花紋溝造型。將胎肩花紋溝的草圖展開到胎面上，然后分別提取各部分，同樣利用掃掠、切割等命令生成完整的胎肩花紋溝造型，如圖5所示。步驟三：利用相同方法切割出各排水線的造型。至此完成了所有花紋溝的造型，切割后得到的整體效果如圖6所示。步驟四：通過布爾操作在一個節(jié)距的胎面上移除所有的花紋溝和排水線，然后通過倒圓角等功能進行處理，得到一個花紋節(jié)距的輪胎造型，最后通過陣列變換得到一個完整的輪胎造型，如圖7和8所示。

2基于CATIA的輪胎施工設計

2.1基本原理材料發(fā)生單軸拉伸時，其垂直于拉伸方向的應變與拉伸方向的應變比值的負值定義為泊松比。泊松比是與變形或損傷有關的函數(shù)，但對于橡膠材料來說，其在拉伸時體積基本不變，尤其是在伸長率較小的時候，體積變化率小于0.5%，因此通常忽略泊松比的變化，將其視為常數(shù)，將橡膠材料視為不可壓縮材料，泊松比通常取0.5[8-12]。因此，輪胎在成型前后成品部件與半成品部件的體積近似不變，可以根據(jù)輪胎成品截面圖與花紋平面圖利用CATIA對輪胎各部件進行三維造型，然后將成品部件（胎面、胎側、三角膠等）分割為小塊，利用CATIA可分別求解出每一小塊的體積，并且可以直接求解出帶花紋的胎面體積，借此計算反推出半成品的結構尺寸。

2.2施工設計2.2.1胎面使用常規(guī)的胎面半成品施工設計，成品輪胎斷面會出現(xiàn)帶束層不平的現(xiàn)象，在行駛中會明顯增大膠料與鋼絲的摩擦，縮短輪胎的使用壽命，并且無法保證輪胎的使用安全性[13]。為避免此種情況，結合實際施工工藝，選用如圖9所示的半成品結構。在輪胎實際成型過程中，由于貼合工藝不同，易使胎面半成品膠料分布出現(xiàn)變化。因此應結合施工工藝等條件，在根據(jù)公式（1）或（2）計算胎面半成品的尺寸時，對胎面半成品施工尺寸求解時進行簡單地修正調(diào)整。式中，V，Vb和Vc分別為胎面、胎面基部和胎面冠部某一段的體積；DB為帶束鼓直徑；Wn為胎面第n段的長度；Hn為胎面第n段的厚度；b1，b2和b3分別為1#—3#帶束層的厚度。利用CATIA將胎面部分進行分割，使其成為多個小環(huán)狀帶的組合，然后利用CATIA強大的體積求解功能計算每一個環(huán)狀帶的體積。根據(jù)所求得的體積，結合實際施工情況和經(jīng)驗，利用公式（1）計算胎面復合件半成品的參數(shù)，結果如表1所示。2.2.2其他部位輪胎其他部位的施工方法與胎面部位一樣。胎體簾布、帶束層和胎圈在成型過程中鋼絲體積保持不變，因此其厚度等參數(shù)固定，不需求解。胎側膠、胎肩墊膠和三角膠施工圖分別如圖10—12所示，施工參數(shù)如表2所示。過渡層膠和氣密層膠具體施工參數(shù)不予詳細敘述，過渡層膠總長度取680mm，厚度取4.6mm；氣密層膠總長度取660mm，厚度取4.6mm。

3結語

利用CATIA對塊狀花紋輪胎完成三維造型，并且求解出輪胎半成品的結構尺寸。通過該方法進行復雜花紋的施工設計有以下優(yōu)點。（1）可簡單快速地設計輪胎的成型工藝和部件半成品的結構尺寸。（2）避免AutoCAD無法直接求解橫向花紋溝的缺點。（3）計算精度高，實用性強。（4）減少試驗次數(shù)，節(jié)約試驗費用。（5）保證施工工藝的合理性，提高輪胎生產(chǎn)工藝的合格率。

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作者：王瑞華 雍占福 王文峰 黃兆閣 單位：青島科技大學