子午线轮胎的有限元分析.pdf

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1、子午线轮胎的有限元分析缪红燕,徐 鸿,计 斌(北京化工大学,北京 100029)摘要:采用ANSYS软件非线性分析技术,通过三维体单元、层单元和接触单元建立了子午线轮胎(205/60R15)的三维有限元模型,并对自由轮胎充气、接地轮胎受垂直载荷和受水平推动力等工况下轮胎各部位的关键词:子午线轮胎;非线性分析;层单元;接触单元;有限元中图分类号:TQ33611+1 文献标识码:B 文章编号:100628171(2001)01200162051 子午线轮胎的三维有限元模型111 轮胎的有限元模型和约束条件本工作以205/60R15规格的子午线轮胎为例进行有限元分析。子午线轮胎由具有各向同性的胎面胶

2、、胎侧胶和三角胶,各向异性的帘布层、带束层等10余种材料组成。为了既保证分析的精确性,又保证计算的可行性,在建立模型时采用三维体单元和三维层单元的组合来进行模拟。对于各向异性材料部位,采用层单元模拟,层单元还可根据需要再进行“层中分层”,最多达100层,并且每层的厚度可以变化,这样就完全解决了胎体内部材料多、尺寸小等引起模拟困难的问题,从而比较真实地再现了轮胎作者简介:缪红燕(19762),女,江苏如皋人,北京化工大学硕士研究生,主要从事CAE方面的研究。Ux,Uy,图1 轮胎有限元模型112 加载方法本工作中考虑了3种加载方法:(1)自由轮胎充气(充气工况)。(2)在垂直载荷作用下轮胎与路面

3、的接触(正接触工况)。这是通过使路面(接触目标面)垂直向上压向轮胎的移动来模拟的。61 轮 胎 工 业 2001年第21卷应力及变形进行了分析,得到了各种情况下轮胎上应力和应变的分布状况。子午线轮胎几何结构复杂、材料性质多样,对其进行数学分析极其困难,许多性能分析方法也只是近似的定性分析。轮胎设计理论从最初的网络理论、薄膜理论到薄壳理论再到目前的有限元分析经历了很长的发展过程。本工作应用ANSYS软件的结构分析功能对子午线轮胎进行了三维有限元分析。分析中考虑了诸如轮胎复杂组分结构、大变形中的非线性、各向异性的复合增强材料、与路面接触以及动态负荷条件等因素,较为实际地模拟了轮胎在多种工况下的工作

4、性能。内部的实际构成。在模拟轮胎与刚性路面接触问题时,选用柔刚面面接触单元,轮胎底部选为接触面,路面为目标面,将轮胎的轮辋简化为一组相对于轮胎均为刚性体的轮辐与轮辋。轮胎的约束条件确定如下:轮辐中心沿轮胎轴向(x轴方向)选取3个节点,限制这3个节点的位移Uz,就整个轮胎而言是限制了它沿x,y和z方向的移动和绕y和z轴的转动。在这种约束条件下,轮胎虽然可以变形,但整个轮胎只能绕x轴方向转动。轮胎模型(包括模拟刚性路面的目标面)如图1所示。(3)水平推动力作用下轮胎沿路面的滚动趋势或滚动状况(从动轮接触工况)。这是通过使已与轮胎发生正接触的路面(目标面)水平移动来模拟的。由于存在各种非线性性质,以

5、上3种载荷的施加都要分别通过若干个子载荷步骤来实现。部位,如图2和3所示。由图2和3可见,当轮胎承受充气压力时,由于带束层的周向刚度很大,因此胎冠几乎不发生位移,而胎侧等部位刚性较小,主要变形(向两侧突出)就发生在此部位。图2 轮胎充气后各部位总位移变化等值图(a)胎宽方向变形等值图几乎不接触到扁平地压在地面上。图5所示为充气压力为0124 MPa时轮胎下沉量(即轮胎中心与路面间垂直距离的减小量)随垂直载荷变化的应变关系。图6所示为充气压力为0124 MPa、垂直载荷为2 500 N时轮胎上各点的变形量。图7所示为轮胎受垂直载荷作用下轮胎侧面的变形情况。由图7可见,轮胎在受到垂直载荷时,胎侧部

6、位分别向外侧鼓出。图8所示为不同垂直载荷下,轮胎下沉与地面接触时接触压应力的变化情况。在轮胎模型中,轮胎花纹被简化为沿轮胎周向的沟槽。由图8可见,对于轮胎胎面中心的花纹,由于其两边是自由边,因此在此处产生应力集中,而在两边的较宽花纹的中心,却形成了较大的应力集中。71第1期 缪红燕等 1 子午线轮胎的有限元分析 2 分析结果211 充气工况下的分析结果子午线轮胎是由较高弹性模量的柔性帘线、钢丝带束层帘线和较低弹性模量的橡胶基体材料组成的多种材料复合体。在未充气时,这种各向异性的层壳结构不能承受较大的集中载荷,但是当充入一定压力的空气后,就能够承受很大的集中载荷,并同时满足几何和力学性能的要求。

7、轮胎的变形是大变形,因此在应用有限元分析法研究轮胎性能时就应考虑它的非线性特性,即随着载荷的变化,单元形状和位置也将发生比较显著的变化。在计算平衡条件时,也不能再忽略形状和位置变化产生的影响。在加载过程中,需要逐渐加载,以保证所加压力始终垂直于轮胎的内表面。轮胎充气后,轮胎的变形主要发生在胎侧(b)充气前后轮胎截面位置实线 充气前;虚线 充气后图3 轮胎充气后胎宽方向的变形图4显示了轮胎充气后截面应力的分布情况。由图4可见,充气后,轮胎的主要应力集中在钢丝带束层和帘布层上,而且带束层中的周向应力比其它部位都要大得多。212 正接触工况的分析结果在垂直载荷作用下,轮胎在与地面接触处附近的局部发生

8、了很大的变形,由开始与地面(b)第二主应力分布(c)第三主应力分布(d)轮胎周向应力分布图4 轮胎充气后截面应力图(a)(b)图6 充气轮胎在垂直载荷下总位移等值图图9所示为充气轮胎与地面接触后最低截面的应力分布情况。213 从动轮接触工况下的分析结果轮胎滚动时受力状况比较复杂,主动轮是同时受驱动转矩、垂直载荷和水平阻力作用而在有滑动摩擦的路面上发生滚动,而从动轮则81 轮 胎 工 业 2001年第21卷(a)第一主应力分布图5 轮胎下沉量与垂直载荷的关系(a)786 N(b)1 982 N(c)3 520 N图8 不同垂直载荷下接触面印痕变化是同时受水平牵引力和垂直载荷作用而在有滑动摩擦的路

9、面上发生滚动。本分析中通过路面水平运动对轮胎施加水平牵引力以模拟从动轮胎在路面上的滚动过程。图10所示为轮胎正接地时(未受水平牵引力,无滚动趋势)轮胎上各点在垂直方向上的位移等值图和接触面的印痕情况。由图10可见,轮胎的位移和印痕都是左右(前后)对称的。图11表示轮胎在滚动一个角度之后,轮胎各点在垂直方向上的位移等值图和接触面印痕图。由图11可见,此时轮胎上的位移已不再是左右对称,接触印痕也不再是前后对称了,而是向滚动的前方移动了一段。3 结语本工作利用ANSYS有限元分析程序建立了由多种材料组成的几何形状复杂的子午线轮胎(205/60R15)的三维有限元模型,通过对其在自由充气、垂直载荷和静

10、态正接地滚动3种状态下进行三维有限元分析,研究了轮胎整体和接地区在不同工况下的形状变化以及接触印(b)第二主应力分布(c)第三主应力分布(d)轮胎周向应力分布图9 轮胎正接地后最低截面应力图痕变化。分析结果定性地看是与实际基本相合的,如果再能得到进一步的实验验证,则这种模拟方法可进一步用于预测轮胎在多个方面的工作性能,为轮胎结构的优化设计提供一种有效的分析方法。91第1期 缪红燕等 1 子午线轮胎的有限元分析 图7 轮胎在垂直载荷下垂直方向的变形情况(a)第一主应力分布(a)位移等值图(b)接触印痕图和接触印痕图(a)位移等值图(b)接触印痕图图11 滚动过程中垂直方向位移等值图和接触印痕图收

11、稿日期:2000208203两种新型模具通过省级鉴定中图分类号:TQ33611 文献标识码:D由揭阳市外轮橡胶机械有限公司研制生产的“高精密铸造铝合金子午线轮胎模具”和“免排气孔轮胎二半模具”两种高科技新产品,于2000年11月13日通过了广东省科技厅组织的专家委员会鉴定。在广东省科技厅的组织下,由北京化工大学、北京橡胶工业研究设计院、华南理工大学、汕头大学、广东省机械研究所、汕头冶金机械厂、揭阳市科技信息研究所等机构的专家、教授组成鉴定委员会,一致认为,外轮公司研制的被列入省“火炬计划项目”的“高精密铸造铝合金子午线轮胎模具”在国内率先采用了石膏型芯精铸技术,并在选材、配方、工艺和设备等方面

12、有重大突破。该产品创新程度高,克服了传统的汽车轮胎钢模具刻花工艺技术对一些复杂花纹无法处理的缺点,可适应轿车轮胎花纹不断变化的要求,具有精度高、质量小、成本低、工效高、模具回用率高、硫化节能等优点。产品质量达到国际同类产品水平,产品制造技术国内领先。在对该公司研制的“免排气孔轮胎二半模具”进行鉴定时,专家们认为,该产品克服了传统轮胎二半模具的上、下模体须加工预留密集的小排气孔的缺点,是对轮胎模具技术的一项重大突破,是对传统模具的一项重大改革。该模具制造简便,所制轮胎无“小辫子”,省去修剪且节约胶料,硫化后不用清孔,节约了时间,可大大提高生产效率。产品主要性能指标达到国际同类产品的先进技术水平,填补了国内空白。此外,高精密铸造铝合金子午线轮胎模具还于当天通过了广东省验收组的验收。(本刊编辑部 涂学忠供稿)02 轮 胎 工 业 2001年第21卷图10 正接地条件下垂直方向位移等值图揭阳市外轮橡胶机械有限公司