本发明属于防爆轮胎设计技术领域，具体涉及一种气压自适应负泊松比结构防爆轮胎及其设计方法。
背景技术：
汽车在行驶过程中特别是在高速行驶过程中，如果汽车发生爆胎将对汽车的安全产生非常严重的影响，容易出现车毁人亡的事故，因此工程师一直在探索合适的解决办法，目前主要采用胎压监测和防爆轮胎的设计来减少爆胎对汽车安全产生的影响。胎压监测能很好的观察汽车胎压的变化和起到预防作用，但是当汽车在高速行驶由于橡胶老化或碰到尖锐物产生突然爆胎时，竟然胎压监测系统能及时产生警示，但是此时汽车已失去控制，很难有效的减少事故。防爆轮胎能很好的减少汽车爆胎，一般采用实心轮胎和内置支撑体轮胎等两种不同的方式，采用实心轮胎能从根本上消除汽车爆胎的产生，但是质量过重、不易散热和导致汽车油耗过高等原因导致其很难推广应用。内置支撑体轮胎能有效的减少爆胎的影响，但是传统内置支撑体轮胎在汽车正常的行驶过程中一直发挥作用，为保证内置支撑体的耐久性使其在汽车爆胎时能及时发挥作用，一般内置支撑体都存在着质量过重、内置支撑体和轮胎外胎产生较多热量的问题，使防爆轮胎的重量较重和成本较高，从而影响了传统内置支撑体防爆轮胎的推广应用。
负泊松比结构在受到拉伸时在垂直于外力的方向上产生膨胀，而在受到压缩时在垂直于外力方向上产生收缩，由于这种特殊的力学特性，使其具有超轻质结构和局部刚度增强特性，其工业制造中具有广泛的应用前景。专利“201110401962.4”提出了一种基于负泊松比结构的超轻非充气轮胎，该方法将负泊松比结构应用于非充气轮胎设计，大大的减少了非充气轮胎的重量。但是该方法中负泊松比结构支撑体在汽车的正常行驶过程中一直起支撑作用，其耐久性很难满足汽车的使用要求，在发生汽车爆胎时负泊松比结构支撑体可能已失去支撑功能，如果要提高其耐久性，势必要增加负泊松比结构支撑体的重量，且负泊松比结构支撑体在汽车正常行驶过程中将会产生大量的热量，从而影响其推广应用。因此设计一种质量轻、在汽车正常行驶过程中不参与支撑作用但是在汽车爆胎时能及时发挥作用和提醒驾驶员的防爆轮胎显得尤为重要。
技术实现要素：
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决了现有技术中传统防爆轮胎内置支撑体由于在汽车正常行驶过程中一直参与支撑作用导致支撑体质量过重从而使汽车产生整车操纵稳定性差及油耗大的问题，提出了一种气压自适应负泊松比结构防爆轮胎及其设计方法，可广泛应用于不同用途汽车的防爆轮胎设计中。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种气压自适应负泊松比结构防爆轮胎，包括负泊松比结构支撑体、轮辋、垫带、内胎和外胎，所述内胎和外胎的底部与轮辋封闭固连；在所述内胎与轮辋之间设有垫带，所述内胎和垫带固连形成具有密封空间的腔体，所述负泊松比结构支撑体位于内胎和垫带之间的腔体中；外胎和内胎之间存在气压腔体，内胎与负泊松比结构支撑体贴合在一起，负泊松比结构支撑体处于压缩状态。
进一步的，工作原理为：当外胎和内胎之间的气压足够时，负泊松比结构支撑体处于压缩状态，内胎和外胎之间无接触，轮胎依靠气压正常行驶；当轮胎爆胎时，内胎和外胎之间的气压迅速降低，负泊松比结构支撑体由于外面压力作用减少从而快速扩大，负泊松比结构支撑体起支撑作用从而防止汽车轮胎爆胎而失控。
进一步的，外胎和轮辋的连接外侧设有挡圈，所述挡圈起固定支持作用。
进一步的，内胎是一种匹配垫带形状的的橡胶制品。
进一步的，所述负泊松比结构支撑体的负泊松比结构包括手信型负泊松比结构、星型负泊松比结构和双箭头型负泊松比结构。
进一步的，所述内胎和垫带之间腔体中的气压保持为标准大气压。
上述的气压自适应负泊松比结构防爆轮胎的设计方法，包括以下步骤：
1)设计内外胎之间腔体的气压的大小：根据包括汽车的整车重量、轮胎外胎尺寸和行驶速度在内的因素，确定气压自适应负泊松比结构防爆轮胎中内外胎之间腔体的气压的大小；
2)设计负泊松比结构支撑体的压缩距离：根据轮胎尺寸确定正常气压负泊松比结构支撑体的压缩距离；
3)设计负泊松比结构支撑体的延伸距离：根据轮胎正常行驶时内胎和外胎之间的距离确定轮胎爆胎时负泊松比结构支撑体的延伸距离；
4)确定负泊松比结构支撑体的压缩刚度和延伸刚度：基于步骤3)得到的负泊松比结构支撑体的压缩距离和延伸距离，根据内外胎之间胎压求出负泊松比结构支撑体的设计刚度；
5)利用多目标优化算法对负泊松比结构支撑体中微观结构进行优化。
进一步的，步骤5)的具体方法为：将步骤4)中求得的负泊松比结构支撑体的设计刚度作为约束条件，以负泊松比结构支撑体满足汽车爆胎时安全行驶距离和结构质量最轻作为设计目标，利用多目标粒子群算法对负泊松比结构支撑体中负泊松比微观结构的包括胞壁厚度、胞壁长度、胞壁宽度和胞壁间夹角在内的因素进行优化，获取最优负泊松比结构支撑体。
进一步的，步骤4)中，根据内外胎之间胎压求出负泊松比结构支撑体的设计刚度的具体方法为：负泊松比结构支撑体的压缩距离＝(内外胎之间气压差*内胎压缩时表面积)/负泊松比结构支撑体的压缩刚度。
有益效果：本发明提供的一种气压自适应负泊松比结构防爆轮胎及其设计方法，与现有技术相比，具有以下优势：
1、提出了一种气压自适应负泊松比结构防爆轮胎，负泊松比结构支撑体在汽车整车行驶中由于气压的压缩作用处于压缩状态不参与支撑作用，而在汽车爆胎时及时发挥支撑作用，在对支撑体进行设计时极大的降低对负泊松比结构支撑体耐久性的要求，从而可显著减少支撑体的重量，使装备防爆轮胎的汽车在正常行驶过程中具有较好的操纵稳定性和较低油耗并在发生汽车爆胎时具有很好的安全性。
2、提出了一种气压自适应负泊松比结构防爆轮胎的结构设计方法，结构设计过程中根据汽车的整车重量和行驶速度等因素确定气压自适应负泊松比结构防爆轮胎中气压的大小，然后根据轮胎尺寸确定正常气压负泊松比结构支撑体的压缩距离和延伸距离，利用多目标优化算法对负泊松比结构支撑体中微观结构的厚度、尺寸等因素进行优化，进一步提高气压自适应负泊松比结构防爆轮胎的耐久性和轻量化特性。
附图说明
图1是本发明气压自适应负泊松比结构防爆轮胎的二维截面图。
图1中，1为负泊松比结构支撑体、2为轮辋、3为垫带、4为挡圈、5为内胎、6为外胎。
具体实施方式
本发明为一种气压自适应负泊松比结构防爆轮胎及其设计方法，气压自适应负泊松比结构防爆轮胎由负泊松比结构支撑体、轮辋、垫带、挡圈、内胎和外胎组成。轮胎外胎和轮辋之间具有密封作用，外胎和内胎之间存在气压空间。由于内外胎之间气压的作用，内胎与负泊松比结构支撑体贴合在一起并且使负泊松比结构支撑体处于压缩状态。当气压足够时，负泊松比结构支撑体处于压缩状态，内胎和外胎之间无接触，轮胎依靠气压行驶；当轮胎爆胎时，内外胎之间的气压迅速降低，负泊松比结构支撑体由于外面压力作用减少从而快速扩大，起支撑作用从而防止汽车轮胎爆胎而失控，使汽车在爆胎时能继续安全行驶较长距离，同时和其配合的胎压监测系统及时提醒驾驶员使其将汽车安全驾驶到合理区域。结构设计过程中首先根据汽车的整车重量和行驶速度等因素确定气压自适应负泊松比结构防爆轮胎中气压的大小，然后根据轮胎尺寸确定正常气压负泊松比结构支撑体的压缩距离，使内胎和外胎保持合适的安全距离，减少内外胎摩擦，从而减少热量生成和降低轮胎行驶温度，其次根据内外胎之间距离确定零气压时负泊松比结构支撑体应延伸距离。最后利用多目标优化算法对负泊松比结构支撑体中微观结构的厚度、尺寸等因素进行优化，使负泊松比结构支撑体能满足汽车爆胎时安全行驶一定距离和质量最轻的设计目标。本发明提出了一种气压自适应负泊松比结构防爆轮胎及其设计方法，能够使汽车在爆胎时气压自适应负泊松比结构支撑体自动延伸从而避免汽车由于爆胎产生的汽车交通事故，显著提升汽车的安全性，并且使汽车在正常行驶时气压自适应负泊松比结构支撑体不参与支撑作用和具有超轻质量，从而显著提高防爆轮胎的寿命和减低汽车的油耗水平。
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例
如图1所示，本发明开发了一种气压自适应负泊松比结构防爆轮胎，包括负泊松比结构支撑体1、轮辋2、垫带3、挡圈4、内胎5和外胎6。垫带3位于内胎5、负泊松比结构支撑体1和轮辋2之间，用于固定负泊松比结构支撑体1和起密封作用。负泊松比结构支撑体1靠近轮辋2一侧与垫带3固定在一起。固定负泊松比结构支撑体1的基体材料为abs塑料，重量为1.13kg。
内胎5是一种匹配垫带形状的的橡胶制品，内胎5和垫带3固定在一起，内胎5和垫带3形成具有一定密封空间的腔体，负泊松比结构支撑体1位于内胎5和垫带3之间的腔体中。外胎6和轮辋2之间具有密封作用，气压腔体存在于外胎6和内胎5之间，挡圈4起固定支持作用。
由于内胎5和外胎6之间气压的作用，内胎5与负泊松比结构支撑体1贴合在一起并且使负泊松比结构支撑体1处于压缩状态。当气压足够时，负泊松比结构支撑体1处于压缩状态，内胎5和外胎6之间无接触，轮胎依靠气压正常行驶；当轮胎爆胎时，内胎5和外胎6之间的气压迅速降低，负泊松比结构支撑体1由于外面压力作用减少从而快速扩大，负泊松比结构支撑体1起支撑作用从而防止汽车轮胎爆胎而失控。
在本方案的设计过程中首先根据汽车的整车重量、轮胎外胎尺寸和行驶速度等因素确定气压自适应负泊松比结构防爆轮胎中内外胎之间腔体的气压的大小，压强大小为280kpa，从而保证汽车在没有爆胎情况下的正常使用。
为减少制造成本，内胎5和垫带3之间腔体中的气压一般保持为标准大气压。根据轮胎尺寸确定正常气压负泊松比结构支撑体1的压缩距离，距离大小为15mm，使内胎5和外胎6保持一定的安全距离，减少内外胎摩擦，从而减少热量生成和降低轮胎行驶温度。
根据轮胎正常行驶时内胎5和外胎6之间的距离确定轮胎爆胎时负泊松比结构支撑体1应延伸距离，延伸距离为14mm，从而避免汽车在轮胎爆胎时失控，由负泊松比结构支撑体1提供支撑作用而继续正常行驶一定安全距离。
基于之前得到的负泊松比结构支撑体1的压缩距离和延伸距离，根据内外胎之间胎压求出负泊松比结构支撑体的设计刚度，设计刚度大小为13070kn/m。
把上一步求得的负泊松比结构支撑体1的设计刚度作为约束条件，以负泊松比结构支撑体1能满足汽车爆胎时安全行驶距离和结构质量最轻作为设计目标，利用多目标粒子群算法对负泊松比结构支撑体中负泊松比微观结构的胞壁厚度、胞壁长度、胞壁宽度和胞壁间夹角等因素进行优化，获取最优负泊松比结构支撑体，获得的最优负泊松比结构支撑体的质量为1.02kg，泄气后结构的最大安全行驶距离从95km提高到123km，进一步提高气压自适应负泊松比结构防爆轮胎的耐久性和轻量化特性。
从以上实例实施中可知，设计的一种气压自适应负泊松比结构防爆轮胎使轻质结构内置支撑体在汽车正常行驶过程中不参与支撑作用，通过气压自适应作用使轻质结构内置支撑体尽在轮胎爆胎时及时发挥作用，相比于内置支撑体一直起支撑作用的防爆轮胎，气压自适应负泊松比结构防爆轮胎得到了显著的减少。最后通过针对具体的车型，应用目标优化方法使轻质结构内置支撑体的质量得到了进一步的降低并提高了安全行驶距离。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。