基于TPMS的拉胀结构用于高性能无气轮胎：一种随变形可调刚度的创新设计

作者及发表信息
本研究由韩国釜山国立大学（Pusan National University）的Do-Yeon Kim、Hong-Seok Kim、Sang-Hu Park团队，美国阿克伦大学（The University of Akron）的Jae-Won Choi团队，以及中国南京航空航天大学的Xiangying Hou合作完成，发表于*Scientific Reports*期刊2024年第14卷，文章编号11419。

学术背景

科学领域：本研究属于机械工程与材料科学的交叉领域，聚焦于拉胀材料（auxetic materials）（具有负泊松比特性的材料）在无气轮胎（airless tires）中的应用。

研究动机：传统无气轮胎的辐条结构（如蜂窝结构）通常具有固定刚度，难以同时满足轻量化、高载荷承载和减震需求。拉胀结构的独特力学行为（如受压时横向收缩）可能通过变形实现刚度调节，但现有基于三重周期极小曲面（TPMS, Triply Periodic Minimal Surface）的拉胀结构设计有限，且未充分探索其在轮胎中的实用性。

研究目标：设计一种基于原始型TPMS（p-TPMS）的新型拉胀辐条结构（RPAS, Rotated Primitive-type Auxetic Structure），通过单元旋转调控力学性能，实现无气轮胎的变形依赖性刚度，并验证其制造可行性。

研究流程与方法

1. RPAS设计与参数化研究

• 设计方法：
  
  • 基于p-TPMS数学方程生成初始单元，通过旋转角度θ（0°–20°）和布尔运算构建RPAS单元（图1）。
    
  • 使用NTopology软件（v3.4）进行参数化建模，研究θ、形状常数a、单元尺寸l对体积分数（VF）和力学性能的影响。
    
• 数值模拟：
  
  • 通过ANSYS（2020 R2）进行压缩模拟，采用Yeoh 3阶超弹性模型描述材料（Elastico橡胶），分析刚度、能量吸收和泊松比。
    
  • 正交试验（L9阵列）优化参数组合，确定θ=10°、a=0.4、l=20 mm为最优设计。
    

2. 实验验证

• 材料测试：
  
  • 通过PolyJet 3D打印制备RPAS试样（θ=0°、10°、20°），进行压缩试验（ASTM D412标准），验证数值模拟的准确性。
    
  • 结果显示实验与模拟的力-位移曲线趋势一致，但因材料湿度敏感性存在力值偏差（图3）。
    
• 泊松比测量：
  
  • 数字图像分析显示，RPAS-10和RPAS-20在压缩初期即表现负泊松比（-0.21至-0.32），而RPAS-0需7 mm位移后才出现（图3c,d）。
    

3. 轮胎性能评估

• 设计与制造：
  
  • 将RPAS-10辐条集成至无气轮胎（直径162 mm，宽度28 mm），与同重量蜂窝轮胎对比。
    
  • 采用Direct-Ink Write（DIW）3D打印技术，开发橡胶基共聚物墨水（含L-SBR和UV固化异戊二烯），结合光固化与硫化工艺实现复杂结构制造（图10）。
    
• 力学测试：
  
  • 平压测试：RPAS轮胎在变形5 mm后刚度从2.86 N/mm跃升至4.37 N/mm，而蜂窝轮胎保持恒定1.46 N/mm（图7a）。
    
  • 障碍测试：小滚轮（dr=6 mm）压缩时，RPAS轮胎在4 mm后刚度反超蜂窝结构，展现局部抗凹陷能力（图9a）。
    

主要结果与逻辑链条

1. RPAS的力学特性：

   • 旋转角度θ决定变形机制：θ=0°为拉伸主导（高初始刚度但易屈曲），θ≥10°为弯曲主导（渐进式变形，稳定负泊松比）。
     
   • 正交试验表明，θ对泊松比影响显著，而l主导刚度（图6）。
     

2. 轮胎性能优势：

   • 可变刚度：RPAS轮胎在小变形时柔软（提升舒适性），大变形时高刚度（防止过度塌陷），优于蜂窝结构的单一刚度（图7）。
     
   • 抗局部变形：障碍测试中，RPAS的辐条旋转使应力均匀分布，而蜂窝结构因泊松正比效应导致局部弱化（图8b）。
     

3. 制造可行性：

   • DIW 3D打印结合双固化（光固化+硫化）成功制备复杂RPAS结构，为橡胶轮胎的定制化生产提供新方案（图10m,n）。
     

结论与价值

科学价值：
- 提出首个基于p-TPMS的旋转诱导拉胀结构设计方法，揭示了θ与变形机制的定量关系。
- 通过实验与模拟验证了“变形依赖性刚度”在无气轮胎中的可行性，为智能材料结构提供新思路。

应用价值：
- RPAS轮胎可适应多变载荷（如越野车、无人机），平衡舒适性与耐久性。
- DIW工艺可直接整合至轮胎工业，推动无气轮胎的定制化生产。

研究亮点

1. 创新设计：通过旋转p-TPMS单元实现可控拉胀行为，突破传统TPMS结构的力学局限。
   
2. 多尺度验证：结合参数化模拟、正交试验与3D打印实验，系统性优化性能。
   
3. 工程转化：开发高粘度橡胶墨水与双固化工艺，解决复杂弹性结构的制造难题。
   

其他价值：
- 研究数据已公开，可供后续研究参考（如其他TPMS类型的拉胀化改造）。
- 提出的DIW工艺可扩展至其他弹性体器件（如阻尼器、传感器）的制造。