轮胎滚动变形是轮胎力学特性的重要组成部分。由刚性大位移和柔性大变形构成的轮胎滚动变形是轮胎与路面相互作用的直接结果。受轮胎高速滚动条件限制,对高速滚动轮胎力学特性的研究主要着手于高速轮胎滚动变形特性的研究。准确地测量和表达高速滚动轮胎非线性柔性大变形对揭示高速滚动轮胎力学特性、高速滚动轮胎变形机理和优化轮胎结构等方面的研究均起到了积极的推动作用。目前,滚动轮胎非线性柔性大变形在试验测量方法、测量结果稳定性、试验环境影响度和滚动变形建模等方面的研究还不够完善,尤其对高速滚动轮胎非线性柔性大变形的研究还很不充分。针对高速滚动轮胎非线性柔性大变形建模表达、全域柔性变形获取和力学特性测量中发展尚未完善的三个问题:(1)如何通过理论模型准确表达高速滚动轮胎非线性柔性大变形特性和分布规律;(2)如何通过数字图像测量方法,获取滚动轮胎全域非线性柔性大变形;(3)如何通过滚动轮胎变形数字图像,准确测量滚动轮胎接触印迹长度和滚动阻力系数;本文开展了大量的理论研究、发展分析和试验验证工作。本文主要研究内容包括:首先,本文以刚性环轮胎模型为理论框架,建立了考虑轮胎任意垂向载荷压力分布、轮胎与路面动态接触耦合作用和胎体柔性的分布载荷柔性环轮胎模型。搭建了轮胎模态试验系统,通过轮胎模态分析和频响函数带宽法,辨识分布载荷柔性环轮胎模型的切向刚度、径向刚度、抗弯刚度和各阶模态阻尼系数。在此基础上,通过分布载荷柔性环轮胎模型仿真分析,揭示了高速滚动轮胎切向非线性柔性大变形呈类正弦分布规律变化,径向非线性柔性大变形在滚动接触印迹内存在偏心分布特征。其次,将基于连续介质力学理论的绝对节点坐标公式引入到数字图像相关测量中,提出了一种适应于滚动轮胎非线性柔性大变形的改进的数字图像测量方法。该方法具有全域、非接触、易于实现和测量结果稳定特点,有效地解决了滚动轮胎内传感测量方法中存在的不足。通过开发的单目胎面橡胶块扭转变形测量装置,捕捉胎面橡胶块连续扭转变形数字图像,采用灰度直方图、相关系数和相对熵相结合的方法综合评价扭转变形数字图像质量。分别通过数字图像处理和试验测量方法获得了胎面橡胶块扭转非线性大变形特征和演变过程,验证了改进的数字图像相关方法的有效性,确定了胎面橡胶块粘滑状态切换点,揭示了扭转角速度对标记点运动轨迹形态的影响机理,扭转角速度越大,标记点迟滞现象越明显,标记点滞回圈面积越大。在此基础上,通过改进的数字图像相关方法,获取了胎面橡胶块分析区域全域相对应变率分布云图,进而更加清晰的揭示了胎面橡胶块全域扭转变形分布的演变机理和影响机理。然后,搭建了基于优化的图像相关方法的高速滚动轮胎双目视觉测量系统,相继完成了高速双目视觉测量系统立体标定、轮胎表面随机散斑纹理创建和滚动轮胎数字图像质量分析。通过改进的数字图像相关和立体匹配计算方法,对高速滚动轮胎变形散斑数字图像序列处理分析,获取高速滚动轮胎分析区域内单点相对耦合位移和全域非线性柔性大变形分布特征及动态变化规律。在全局绝对节点广义坐标下,提出了一种改进数字图像相关的相对耦合位移解算模型,通过该模型计算高速滚动轮胎变形图像子集网格节点的相对位置变换旋转矩阵和平移矩阵,进而辨识并分离高速滚动轮胎相对耦合位移中的刚体位移和柔性变形,进一步揭示和分析了标记点相对耦合位移、相对刚性位移、相对柔性大变形的变化特征和分析区域全域相对非线性柔性大变形云图分布形态及动态变化规律。在此基础上,研究了载荷、胎压和速度对高速滚动轮胎非线性柔性大变形分布特征的影响。经试验验证分布载荷柔性环轮胎模型能够准确表达高速滚动轮胎非线性柔性大变形特征和分布规律。最后,提出了一种基于数字图像相关的滚动轮胎力学观测方法。通过数字图像处理方法获取标记点相对柔性X向、Z向和剪切应变率分布,在此基础上计算标记点相对柔性主应变率分布。通过辨识标记点相对柔性主应变率突变特征,确定滚动轮胎时变接触印迹长度瞬时端点位置,实现了基于数字图像的滚动轮胎时变接触印迹长度解算。在滚动轮胎接触印迹内,通过分析时变接触印迹长度方向上的标记点相对柔性主应变率分布,计算滚动轮胎接触印迹端点相对于接触印迹理论中心的应变率面积差,在此基础上解算滚动轮胎动态径向偏距。通过标记点相对柔性变形和分析区域全域变形云图分布,更加清晰地揭示了轮胎高速滚动过程中接触印迹区内滚动轮胎变形的演变过程和滚动阻力产生的滞后(偏距)机理。通过辨识滚动轮胎接触印迹内相对柔性变形极大值点,结合极值点相对耦合位移分布,解算滚动轮胎动态接触半径。通过滚动轮胎动态径向偏距和滚动轮胎动态接触半径,获取轮胎滚动阻力系数。经试验验证基于滚动轮胎变形数字图像的滚动阻力系数测量方法是一种可行、稳定并易于实现的非接触测量方法。本文主要创新点包括:(1)建立了适用于轮胎高速滚动力学分析的分布载荷柔性环轮胎模型。该模型综合考虑了轮胎任意垂向载荷压力分布、轮胎与路面接触关系和胎体柔性等因素,准确表达了高速滚动轮胎接触印迹内柔性变形特征及分布规律,也为基于数字图像相关的轮胎滚动力学全域观测提供了理论依据;(2)提出了一种改进数字图像相关法的相对耦合位移解算模型。针对滚动轮胎变形数字图像子集节点的相对耦合位移特征(刚体大位移与柔体大变形叠加),在绝对节点坐标下,通过该模型辨识相对耦合位移中的相对柔性大变形,解决了高速滚动轮胎非线性柔性大变形全域测量与辨识问题,进一步扩大了数字图像相关法适用范围;(3)揭示并分析了高速滚动轮胎全域相对非线性柔性大变形的分布特征及影响机理。在恒载荷变胎压作用下,随着胎压的增大,滚动轮胎相对柔性大变形呈递减趋势变化,而在恒胎压变载荷下,随着载荷的增大,滚动轮胎相对柔性大变形呈递增趋势变化。由滚动轮胎相对全域柔性大变形分布云图可得,在滚动轮胎周期更迭处,低速下相对全域柔性大变形呈均匀相间分布,高速下相对全域柔性大变形呈局部区域集中分布。(4)提出了一种基于数字图像相关的滚动轮胎力学观测方法。该方法基于双目数字图像计算获取滚动轮胎标记点刚体位移和柔体形变,并由标记点的变形分布解算滚动轮胎接触印迹长度和滚动阻力系数等力学状态指标。基于该方法成功实现了标记点印迹全域范围法向(Z向)变形分布物理观测,基于该分布不仅实现了滚动阻力和印迹长度的精确测量,也更清晰展示了轮胎滚动过程中印迹区内轮胎变形、应变的演变过程和滚动阻力产生的滞后(偏距)机理。这为轮胎滚动力学机理分析和轮胎减阻优化设计提供了更直接的评价手段,同时也为新一代智能轮胎胎内传感器的力学解算提供了数据支持。