A Coupled Thermo-Mechanical Analysis for Steady State Tire Temperature and Rolling Resistance Based on Fluid-Structure Interaction

This paper addresses a coupled thermo-mechanical analysis to predict temperature distributions and rolling resistance of a steady state rolling tire. This iterative procedure, in which the mechanical properties of tire rubbers are updated as a function of temperature, has three major modules: deformation, dissipation, and thermal modules. Particular attentions are given to the nonlinear dynamic viscoelasticity of tire rubbers and thermal boundary conditions as these have significant effects on the prediction.  

In the deformation module, the stress/strain fields of tire are obtained by ABAQUS with a hyperelastic material constitutive model.  

In the dissipation module, firstly, strain amplitude sweep tests are conducted at various temperatures, prestrains and frequencies, to obtain the dynamic mechanical properties of the tire rubbers of interest. Then a modified Kraus model is proposed to characterize the influences of temperature and prestrain on the Payne effect. Finally, the heat source in a rolling tire is calculated by combining the strain and loss modulus of the tire rubbers in a C program.  

In the thermal module, a two-dimensional heat conduction equation is solved with heat convection and radiation boundary conditions, the conductivities of various tire materials are tested and then given in the input file. While the heat transfer coefficients along the tire boundary are obtained by a CFD simulation based on Fluid-structure interaction. 

For the verification of the calculated temperature profiles and rolling resistance, they are compared with measured ones. External surface temperatures are measured by an infrared camera system. Meanwhile, the internal surface temperatures and the temperature of the contained air are measured by a wireless test system. The calculated results show good agreements with the measured ones. It has been also found that the loss properties of the tire rubbers has a significant effect on the rolling resistance, while the thermal boundary conditions produces a greater impact on the temperature profiles.