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子午线轮胎自由旋转的非线性有限元分析 |
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GIF图片格式
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| 关键词： |
子午线 轮胎 自由 旋转 线性 有限 分析
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| 所属学科： |
高分子物理 |
| 来源： |
来源网络 |
| 简介： |
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王伟 邓涛 赵树高
(青岛科技大学高分子科学与工程学院，青岛 266042, E-mail: wdavid1@163.com)
轮胎是一类材料分布不均匀、几何结构和受力状况复杂的结构部件。具备典型的材料非线性、接触非线性以及大变形等复杂的力学特性，这给轮胎设计带来了极大困难。仅仅运用数学物理模型，由于边界条件和初始条件过于复杂，很难求出在工程上有实际意义的解析解。但随着计算机的高速发展及其性能价格比的提高，利用大型非线性有限元通用分析软件（如MSC.MARC、ANSYS、NASTRAN等）进行轮胎的有限元分析已成为可能。近年来，国内外不少研究者致力于利用这一强大的数值计算方法，借助高性能计算机来解决轮胎设计和使用中非常复杂的工程问题，并取得了许多研究成果。
轮胎高速滚动时会产生很大的离心力。对离心力作用下的轮胎进行力学分析，可以帮助轮胎设计人员分析胎圈中钢丝的断裂和带束层边缘脱层的机理，并在轮胎设计中防止帘线造受压缩提供非常有用的信息。
本文以10.00R20全钢载重子午线轮胎为例进行了轮胎自由旋转有限元分析。
1轴对称有限元模型的建立
根据轮胎的实际结构，充分考虑了胎面胶、胎侧胶、内衬层、三角胶、正交各向异性的帘线—橡胶复合材料、钢丝圈等19种材料对轮胎整体性能的影响。计算过程中，胎体采用轴对称复合材料壳单元，钢丝圈用加强筋单元，其它部位如胎冠、胎侧等采用四节点轴对称实体单元。由于轮胎结构和载荷对称，本文利用轴对称模型仅取一半进行研究，大大减少了计算量。所用的模型共有287
个节点，333个单元。平面轴对称模型见图1。2材料模型
2.1橡胶材料模型
对于橡胶类力学非线性材料，可用Mooney-Rivlin模型来描述。
Yeoh的实验结果表明，对于炭黑填充橡胶，采用不变量I1-3 作为应变能密度W的一种三次方程，能够很好地描述炭黑填充橡胶的弹性力学行为。如下式所述：
式中：C10，C20，C30为Rivlin系数，可由单轴拉伸试验来确定。
2.2帘线-橡胶复合材料
轮胎中的帘线-橡胶复合材料可视为正交各向异性的材料，材料参数可由文献及试验给出。在有限元分析时，采用复合材料壳单元来描述。
2.3钢丝圈
钢丝圈利用MARC中的加强筋单元描述。钢丝视为各向同性的金属材料。钢丝覆胶用Mooney-Rivlin模型来描述，材料参数用单轴拉伸试验得到。
3边界条件及加载方法
考虑到胎圈与轮辋的接触是过盈配合，因此先将轮辋沿轮胎轴线向外平移50mm,使胎圈与轮辋间有一定间隙，然后使轮辋沿轴向缓慢移动至装配位置。自由充气时，轮胎的变形属于大变形。采用分步缓慢加载，使充气压力始终垂直于轮胎内表面，最后达到标准气压800Kpa。这就避免了因加载过大而引起刚度矩阵奇异，并在此过程中完成轮胎与轮辋的接触分析，最后施加离心载荷。
4结果分析
首先模拟轮胎与轮辋的装配过程，采用50个步长，使轮胎与轮辋逐渐接触，最后达到装配位置。轮辋定位后，再逐步施加内压达到800KPa，然后施加80Km/h的转速。
胎圈与轮辋的接触及轮胎的变形情况见图2。由此可以看出胎圈与轮辋的接触部位在胎圈底部和外侧，这与实际情况十分一致。
在离心载荷下，轮胎的直径有所增大，而断面宽减小，这与实际情况完全相符。在离心载荷作用下，带束层的周向应力为6～9MPa,各层间的剪切应力约为2～2.6Mpa。带束层的应变能密度约为1.1×104～ 2.78×104J/m3.充气结束后胎圈外侧为接触压力最大处，约为70.5KN。由此可见与轮胎在使用中，常出现胎圈磨损的破坏情况相符合的。
5结论
1. 充气结束后，胎圈与轮辋的接触情况与实际情况相符。
2. 自由充气后轮胎的断面宽和外直径与实测值相近。
3. 轮胎在离心载荷作用下的应力分布情况与胎圈磨损的实际情况一致。
可见，本文建立的模型是合理的。相信随着材料测试仪器和测试方法的不断改进以及轮胎材料粘弹性本构关系的不断深入研究，必将使有限元法成为轮胎结构设计中强有力的科学工具。
致谢:本工作得到山东省自然科学基金重点资助（Z99F05）
Nonlinear FEA of Radial Tire
WANG Wei DENG Tao ZHAO Shu-gao
(Qingdao University of Science & Technology, Shandong Qingdao 266042)
Abstract: By means of MSC.MARC code, thought of the material non-linearity, geometric non-linearity and contact non-linearity, an axisymmetric FEA model was built. The analysis of stress/strain fields, contact status and deformed configuration of tire under centrifugal loading were also given.
Key words: radial tire, centrifugal loading, FEA |
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2006-08-15 17:13:24 |
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