随着乘用车行业的快速发展,车辆各行驶性能也备受关注。轮胎作为载具与地面直接接触的部件,决定着二者间的传递特性。车辆行驶过程中,良好的抓地性能需要轮胎提供,同时胎面磨损与胎肩疲劳破坏又直接影响轮胎的耐久性能。胎冠作为轮胎的主要组成部分,其参数对上述性能产生重要影响,但传统设计方法很难实现轮胎抓地及耐久性能的协同提升。基于此,研究胎冠参数对轮胎抓地及耐久性能的影响规律,并对其进行优化设计,可为高性能轮胎研发提供理论依据与设计思路。本文研究对象为205/55R16纵沟花纹轮胎,利用Hypermesh并配合Abaqus软件进行建模分析。采用CS-88100静态加载试验机验证模型的可靠性。并提出轮胎抓地及耐久性能评价指标,在此基础上对模型进行有限元分析。针对行驶面宽、行驶面高、带束层结构等七种胎冠参数进行设计,通过仿真分析得出轮胎接地压力分布规律及各参数对抓地及耐久性能的影响:胎面结构参数的改变对轮胎接地压力分布规律影响最为直接有效,行驶面宽度与高度的改变主要影响轮胎抓地与磨损,在一定程度呈现矛盾关系;高模量的胎面胶可降低磨损与胎肩疲劳,但同时导致轮胎抓地性能降低。带束层结构的改变对轮胎的箍紧程度有一定影响,从而改变接地状态,并影响轮胎的耐久性能。利用SPSS分析上述参数对轮胎性能影响的权重,分析得出:带束层宽、行驶面宽、行驶面高、胎面胶模量对轮胎抓地及耐久性能影响最为突出。为提高轮胎上述性能,选取四种参数为设计变量,利用Design-Expert软件建立数学模型,通过响应面法进行胎冠各参数优选,并将最终结果进行仿真验证,结论如下:响应面法优化准确性良好,提高了轮胎的抓地力,并降低了制动时的摩擦能量损失率,同时肩部的应变能密度幅值降低5.96%,达到了协同提升轮胎抓地性能与耐久性能的目的。鉴于传统轮胎设计方法的局限性,借鉴仿生学原理,采用Walkway压力分布测试系统与Olympus相机获得不同速度下猫爪接地面积和垂向反力等接地数据。选取猫前爪拓扑结构进行研究,采用逆向工程原理提取掌垫横截面弧线并对胎冠弧进行仿生设计。结合正交试验设计,将仿生设计由定性分析扩展到定量分析。经仿生结构设计的轮胎接地压力分布均匀性增强,摩擦能量损失率降低,且应变能密度幅值下降明显。进一步将响应面优化结构与仿生胎冠弧结构进行复合结构设计,发现仿生结构可以在不改变原优化变量的基础上实现轮胎上述性能的进一步提升。仿生学的工程应用为轮胎结构设计优化提供了新的设计思路与研究方法。