（机械设计及理论专业论文）基于ansys的汽车轮胎有限元分析研究.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 - 同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作r 明确的 说明并已致谢。 奉论文及其相关资料若有4 ：实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：狴兰塾例啤方月2 7 日 保护知识产权申明 本人完全了解世f 安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期f 司所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与术论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工人 学，无沦何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他于段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 论文作者签名：缓缝窆导师签名：彗e 鲢。f 年弓月门口 摘要 论文题目： 学科名称： 论文作者： 导师： 答辩时间： 基于a n s y s 的汽车轮胎有限元分析研究 机械设计及理论 韭红至 蓝隆显i 塾攫2 2 0 0 5 年3 月 签名 签名 摘要 本文主要基于a n s y s 软件非线性分析技术，采用三维体单元、层单元和接触单 元，建立了子午线轮胎的几种接触状态下的有限元模型并对其进行分析研究。 从相对运动的角度考虑，建立了一个与刚性目标面固连的p i l o t 节点，通过这 个节点的运动控制整个目标面的运动，即把p i l o t 节点作为刚性目标面的控制 器。整个目标面的受力和移动情况可以通过p i l o t 节点表示出来，从而实现了轮 胎静态接触问题、轮胎接触滑移、前轮前束与外倾的轮胎的接触滑移儿个方面的有 限元模型的建立，解决了以往的一些研究方法难以建立起此类模型的凼扰，为实 现轮胎性能仿真的目的提供了良好的借鉴。经过对计算结果进行分析，得到了以 上几种情况下轮胎各部位的变形和应力情况，印痕分布状况及在不同摩擦系数的情 况下轮胎变形和应力变化趋势，为工程人员进行轮胎的结构优化设计和新型轮胎的 开发起到了一定的指导作用。 由于轮胎结构上的复杂性，因此建立轮胎有限元模型需要相当大的工作量， 其建模工作量不能忽视，根据轮胎结构特征及单元的特征，利用a n s y s 的参数化 设计语言a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) 对分析问题进行参数化，以 减轻建模工作量、提高效率，便于对同类问题的分析研究。 关键词：a n s y s 子午线轮胎接触滑移前束外倾角p i l o t 节点a p d l a b s t r a c t a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fm o t o rt y r eb a s e do na n s y s s o f t w a r e c a n d i d a t e ：兰h 丛鱼塾q 盟鱼i i 堕盟 s u p e r v i s o r ：x u e l o n g q u a n s i g n a t u r e si g n a t u r e a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yp e r f o r m st h e a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h er a d i a l t y r eb a s e do nt h en o n 一1i n e a ra n a l y s i st e c h n o l o g y o fa n s y sa n da p p lie d s o f t w a r eo fa n s y s ，u s i n gt h r e e d i m e n s i o nv o l u m e e l e m e n t ，1 a y e re l e m e n t a n d c o n t a c t i n ge l e m e n t ，s o m ek i n d so ft h r e e d i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n t c o n t a c tm o d e lo fr a d i a lt y r ei sb u i i t f r o mt h ev i e wo ft h et h e o r yo f r e l a t i v em o v e m e n t ，t h ep il o tn o d e w h i c hi s1 i n k e dw i t h t a r g e ts u r f a c ei sb u i i t t h em o v e m e n to fw h 0 1 e t a r g e ts u r f a c eisc o n t r o l l e db yt h ep i l o t t h ep i l o tn o d ec a nb e r e g a r d e d a st h ec o n t r o l l e ro f t h et a r g e ts u r f a c e ，t h u s ，t h ec o n d i t i o no ft h e f o r c e a n d t h em o v i n go nt h ew h o l et a r g e ts u r f a c ea r e e x p r e s s e db yt h ep i l o t n o d e ，f i n a l i f ，s o m ek i n d so ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l a b o u ts t a t i c c o n t a c t ，c o n t a c t i n g s l i d i n ga n dm o d e lw i t ht o e i na n dc a m b e ra r eb u i l ti n o r d e rt os o l v e t h et r o u b l ew h i c hi s d i f f i c u l tt oa c h i e v eb e f o r e ，t h e r e f e r e n c ei sl a i d f o r t h ed y n a m i cs i m u l a t i o no f t h er a d i a l t y r e t h r o u g h t h e a n a l y s i so fr e s u l t s ，t h ed i s t r i b u t i o ns t a t u so fc o n t a c tm o u l a g ei n d i v e r s i f i e dc o n d i t i o n sa n dd i s t o r t i o ns t a t u so f t h et y r ei nt h ed i f f e r e n t p o s i t i o na n dd i s t o r t i o nt r e n do ft y r ei nd i f f e r e n tf r i c t i o n c o e f f i c i e n t s a r ea c c e p t e d ，s oi tp o s e si n s t r u c t i v ee f f e c t sf o re n g i n e e r sw h i c he n g a g e i ns t r u c t u r a lo p t i m u md e s i g na n dd e v e l o p m e n to fr a d i a l t y r e o na c c o u n to ft h ec o m p l e x i t yo ft h et y r es t r u c t u r e s ot h eb u i l d i n g o ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e la b o u t t y r en e e d ss i z a b l ew o r k l o a dw h i c hc a n 西安理工大学硕士学位论文 b en o t n e g le c t e d a c c o r d jn gt ot h e t y r e s t r u c t u y a la n de 1e m e m t c h a r a c t e r is t i c ，a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ( a p d l ) isa p p le df o r r e b u a r c ho ft h ea n a l y t i cp r o b e ms oa s t o r e l i e v et h ew o r k l o a do f d i n gm o d e lsa n dt oi n c r e a s ee f f i c ie n c y ，s ot h er e s e m b l i n ga n a l y s i s b es i m p li f i e d a n dd o n ee a s i l y k e y w o r d s ：a n s y s ：r a d i a l t y r e ：c o n t a c t - s l i d i n g ：t o e i n ：c a m b e r ：p i l o tn o d e a p d l 第一章绪论 1 绪论 1 1 概述 轮胎是汽车的重要组成部件，是橡胶工业最重要的产品。轮胎的主要 功能是支承负荷，向地面传递制动力、驱动力和转向力，以及缓冲减振。 它对汽车的性能有着十分重要的影响，它不仅影响汽车行驶的安全性、经 济性和平顺性，而且影响汽车的环保性能和运输效率。因此汽车各种性能 的好坏与轮胎力学性能的好坏有直接关系。 “九五”以来，我国公路建设进入快速发展时期，特别是近年来，政 府加大了基础设施投资力度，使公路建设上了一个新台阶。高等级公路发 展迅速，西部地区交通基础设施更加完善，有望实现乡乡村村通公路。随 着国道主干线工程的建成，我国高速公路将发生重大变化，汽车经济运距 将大幅度提高。国内汽车消费市场潜力巨大，中国汽车工业和公路事业的 发展在很大程度上左右着中国轮胎市场。中国已经入世，随着国门的打 开，国外轮胎对中国市场的冲击是显而易见的。我国轮胎企业与从发达国 家轮胎生产发展历程来看，在资金、技术、管理、人才、规模、质量、品 种等多方面均处于劣势，且轮胎子午化率比较低。 汽车工业与轮胎工业的迅速发展，从而也给人们不断提出了新的课 题，因此，在尽可能的吸收当代世界先进技术的基础上，不断探索新的研 究方法和手段，为我国的轮胎的开发与升级换代提供高效的分析与设计技 术已成为我国轮胎工业不断发展的迫切要求。 1 2 轮胎设计理论发展过程及目前的发展概况 轮胎的结构力学分析是轮胎力学的一项基础内容。结构分析的目的就 是分析确定在给定的载荷下轮胎的响应，包括轮胎的总体及局部变形，内 1 西安理3 - 大学硕士学位论文 部各点的应力、应变，接地面形状、大小及接地压力，胎圈部位受力等 等，尽管结构分析本身的数据和结论不能直接用于确定轮胎的结构和设 计，但结合一定的设计理论，优化准则及比较分析，就可获得最佳的轮胎 结构和几何形式。因此轮胎结构分析逐渐成为新的轮胎设计概念和理论的 基础。 在轮胎工业的发展过程中，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“瑚。 最初的网络理论，即假设轮胎充气压力仅仅由帘线张力来承担，受力 网变成一个平衡状态取决于帘线排列方向、弹性性能以及充气压力大小的 受力网。如假定帘线不能伸张，则充气后形状与压力大小无关，因而可用 来计算子午向和圆周向的力，并且可用柱面坐标来描述轮胎形状。网络分 析法没有包括帘外附橡胶的作用，忽略了胎圈部和多层结构对曲挠变形的 影响，但是能近似地计算轮胎变形和应力。 薄膜分析进一步考虑了橡胶承担和传递载荷的作用，把橡胶和帘线看 成是一种复合结构，充分考虑橡胶和帘线的材料性质，分别对橡胶和帘线 在经向，径向和周向上的应力值进行计算，并对橡胶和帘线在各个方向上 的应变进行计算，利用柱面坐标确定轮胎的断面轮廓和承载时轮胎变形后 的轮廓及局部微变形情况，但忽略了弯曲刚度的影晌，未考虑轮胎复合结 构对原材料特性的影响，不能处理几何、材料及载荷上的不连续点。 薄壳理论是在薄膜模型的基础上考虑弯曲因素，因此能反映出印迹 面、胎面和曲率突变部位的局部影响。薄壳理论的经典方法包括各种不同 解法的完整表达式，可描述与壳体尺寸和材料性能成函数关系的外载荷作 用下的薄壳的应力和变形，但大多数经典薄壳理论由于轮胎形状复杂、各 部位厚度不同、复合性能不均匀且其变形较大等原因而不能直接应用于轮 胎分析中。尽管在深入研究轮胎应力和变形方面还存在许多问题，但与薄 膜理论相比，薄壳理论在解决轮胎问题上更加全面，更具有先进性。 复合材料层合壳理论，复合材料的观点引入到轮胎结构力学分析，使 2 第一章绪论 模型进一步完善。考虑了拉压藕合及弯矩的影响，进而能解决接触区域等 有效曲率部位变化的影响。采用该理论只得到了轮胎层合材料表现的总体 性能，忽略了单层之间的影响，另外材料厚度方向的信息无法给出。虽然 厚壳理论及各种剪切变形理论可以提高层合壳分析的精度，但仍不能完美 解决层间应力、胎圈部位边界条件等的影响。 随着计算机的普及和发展，有限单元法以其强大的攻势逐步在工程分 析及设计中得到广泛应用，并成功地解决了不少复杂的结构问题。作为 种行之有效的数值计算方法，有限元法也毫不例外地被引入到轮胎结构设 计巾。 有限元法应用于轮胎分析，从7 0 年代起步发展到现在，在技术水平 上也经历了由二维分析到三维分析两个层次。 7 0 年代中期，h k a g a ，o k a m a t o “”等利用三角形常应变单元分析了垂 直负荷下轮胎的应力情况，所得到的计算结果与实测值十分接近。8 0 年 代初，r h k e n n e d y 和p a t e l ，m i n m i n n “等也利用三角形常应变单元对子午 线轮胎的充气情况进行了分析。同时，通过改变轮胎的带束层帘线角度、 带束层帘线密度和胎体帘线密度等特性参数，对轮胎的充气形状、应力和 帘线张力等进行了预测，这些预测为设计新型轮胎及改善现有轮胎的性能 提供了非常有用的信息。此外，t s e n g n t 和p e l l e “”等利用二维对称分析 对轮胎爆破压力及高速自由旋转引起的破坏进行了数值模拟。二维有限元 法虽然计算量较小，在预测自由充气状态下轮胎的某些性能方面取得了比 较令人满意的结果，但它不能完全准确地反映轮胎的实际工作情况，尤其 是在考虑了非对称载荷及层间剪切应力后，其模拟效果与实际相差较大。 由于轮胎结构、材料性质、载荷及变形的复杂性，采用三维有限元模型才 能更真实地反映轮胎的实际情况。1 9 7 8 年，j o z e f d e s k i n a z i 等利用非线性 三角形单元对静态情况下钢丝子午线轮胎接触区的位移及应力作了详细的 分析。r i d h a 等利用三维1 6 节点六面体单元对印痕负荷下的均质充气 轮胎作了分析”。8 0 年代，人们把主要精力集中在求解接触问题上，包 西安理工大学硕士学位论文 括从无摩擦到有摩擦各种情况下的印痕压力分布和充气形状等。9 0 年代 以来，在轮胎的三维有限元分析方面更为深入，例如考虑复杂的组分结 构、大变形及大应变、非线性和各向异性材料、刚度差较大的增强复合材 料、接触问题以及动态负荷条件等，从而能够更实际地模拟轮胎在多方面 的工作性能，为轮胎的优化设计提供了强大的理论工具。 随着计算机技术的迅速发展和有限元技术的完善，有限元分析法逐渐 成为现代工程设计领域的一种重要方法，多年的理论和实践证明了其准确 性和可行性。它的发展大大推动了轮胎设计和汽车设计进程，为研究轮胎 力学性能提供了理论依据，已取得了较好的工业应用成果。 与国际上轮胎研究的发展水平相比，我国采用的分析手段还比较落 后，近年来许多科研院所如北京橡胶工业研究设计院、北京化工大学、北 京理工大学以及一些较大的轮胎生产企业在轮胎的有限元分析和设计技术 方面进行了研究，但一般只限于对轮胎横断面进行二维静力有限元分析、 对于三维的有限元分析，我国起步较晚。从9 0 年代后期，国内才相继丌 始对轮胎进行计算机三维有限元分析，但大部分工作仅限于研究轮胎的变 形、应力和应变的关系，和轮胎的本身结构联系密切，仅仅为了满足轮胎 设计的要求，很少和汽车的综合性能联系起来。 1 3 本论文的主要研究内容及意义 1 3 1 本论文的主要研究内容 本论文以6 0 系列的r 1 5 型子午线轮胎作为研究对象，以a n s y s 8 0 为平台，针对轮胎在多种接触状态下的轮胎变形与应力等问题进行了深入 与系统研究，全文的主要工作为： a 轮胎参数化有限元建模： 轮胎有限元模型的建立对于轮胎的有限元分折将会起到事半功倍的效 果，但是由于轮胎的结构复杂，建模工作量较大，为轮胎的结构与性能分 4 第一辛绪论 析带来诸多不便。为实现高效率、自动化的轮胎有限元建模与分析，对轮 胎有限元模型参数化研究不仅应包括c a d 意义上的结构尺寸参数化，还应 包括边界条件、载荷的参数化处理等一些其他的参数化处理手段。 本论文在对子午线轮胎有限元模型进行了研究的基础e ，借助于 a n s y s 提供的a p d l 语言编制了轮胎分析的参数化模块，实现了轮胎建模 的参数化，载荷加载和边界条件处理的自动实现以及求解的自动化。工程 技术人员只需根据材料性能改变材料参数，就可以得心应手地进行轮胎的 高效设计与分析，从而能够大大减小轮胎分析与设计的工作量，提高产品 的研究开发效率。 b 轮胎有限元分析研究： 轮胎结构有限元分析是一项挑战性工作，主要困难包括： ( 1 ) 轮胎大变形引起的几何非线性； ( 2 ) 轮胎是非均质结构，其橡胶材料具有不可压缩性和明显的物理非 线性，而且橡胶基复合材料呈现明显的各向异性； ( 3 ) 轮胎与地面的大变形非线性接触。 由于存在着结构上的大变形、轮胎帘布层等材料以及地面与轮胎的刚 体一柔体的接触引起的几何非线性、材料非线性和非线性的边界条件，使 得问题的求解的难度加大，这类研究工作对计算机的运算速度、内存和硬 盘容量等性能要求很高，对有限元软件的性能要求很高，对分析人员的素 质也要求很高，需要较大的投资，但是对于指导高性能轮胎的设计，缩短 开发周期，降低开发成本等方面都起到了很好的作用，有很高的经济效 益。 本论文在建立起轮胎三维非线性有限元模型的基础上，利用相对运动 的原理，提出了将轮胎视为静止不动，通过对与刚性目标面固连的p i l o t 节点施加不同的载荷工况来控制刚性目标面的移动，达到模拟地面一轮胎 三维刚一柔接触问题的原则。具体从以下几个方面来分析轮胎的接地情 况： 西安理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 根据研究对象的实际情况，从相对运动的角度考虑，将轮胎视 为不动，将与之接触的刚性目标面通过建立的控制器p i l o t 节点来进行相 对运动，从而较为真实的模拟出轮胎与地面的静态接触情况。经过的大量 的计算，对轮胎各部位的变形、应力及接地区情况进行了分析。 ( 2 ) 在静态研究的基础上，通过p i l o t 节点施加垂直方向和水平方 向上的不同的位移模拟轮胎与地面的接触滑移、侧偏，并对在不同摩擦力 的情况下，摩擦系数对其结构、变形和应力分布趋势及接地状况进行了较 为详细的分析，并对轮胎的进一步的性能仿真奠定了基础。 ( 3 ) 在实际轮胎与地面的接触过程中，轮胎与地面接触并非是处手 相对垂直的，汽车前轮大多是既有前束又有外倾角，因此对于这类接触型 式的分析，其建模就显得的比较困难。本文在创建目标面时考虑到了# b i e r , 角6 ，然后通过在与刚性目标面固连的p i l o t 节点的x 、y 、z 方向上，施 加不同的位移来模拟前轮前束与外倾的轮胎与地面的接触滑移。 论文的创新之处在于建立了接触对之间的相对运动原理，有效地解决 了以往的一些研究方法很难建立起此种模型的困扰，并对其问题进行了有 限元分析。其中第( 2 ) 、( 3 ) 项研究就是运用该原理得以完成的突出表 现。 1 3 2 本论文的研究意义 本论文针对子午线轮胎的几种接触工况( 包括静态f 接触，接触滑 移、考虑前轮定位的接触滑移、侧偏特性) 进行了较为全面、系统、深入 的研究。 ( 1 ) 轮胎作为联结汽车车身与道路的部件，是影响高速车辆的操纵稳 定性、安全性和平顺性的一个关键部件。汽车的许多重要性能都与轮胎的 力学特性有关，轮胎的接触滑移、侧偏特性等在很大程度上影响着汽车的 操纵稳定性，轮胎的垂直刚度与包容特性在汽车振动与动载荷问题中起着 重要的作用。因此，轮胎力学在整个汽车工程中占据着十分重要的地位。 6 第一章绪论 ( 2 ) 随着计算机技术的飞速发展，大型的有限元通用程序给轮胎结构 力学分析创造了有利的条件。本论文利就是利用有限元软件a n s y s 模拟轮 胎与地面的多种接触状态并对其进行有限元分析，弥补了以前接触分析大 多只集中在静态正接触的不足之处，可以更加贴近模拟多种接触状态，从 而得到轮胎的各种特性因素，这些分析结果可以为整车性能分析提供依 据，提高汽车综合性能分析的精确性。 ( 3 ) 当前汽车工业的发展成为轮胎结构改进的直接推动力。随着汽车 向规模化、高速化与专用化方向发展，充气轮胎的使用条件日益苛刻，从 而促使轮胎向着子午线化、扁平化、无内胎化的方向发展。发展汽车轮胎 工业，不能仅靠引进技术，更不能只依靠进口产品，而是要发展自己的先 进的轮胎理论及设计技术，开发高效的轮胎分析技术与设计技术，生产出 自己的高性能、高品质的轮胎。 本论文利用a n s y s 软件来研究子午线轮胎几种接地工况，分析其变形 以及力学性能，综合考虑轮胎的接地性能，为轮胎设计与改进提供了有价 值的指导建议，对汽车厂家预测整车性能分析提供依据，因此具有很重要 的理论意义和实用价值。 西安理工大学硕士学位论文 2 子午线轮胎特点及设计计算方法 2 1 引言 当前汽车工业的发展成为轮胎结构改进的直接推动力。随着汽车向规 模化、高速化与专用化方向发展，充气轮胎的使用条件日益苛刻，从而促 使轮胎向着子午线化、扁平化、无内胎化的方向发展。 子午胎是轮胎工业的更新换代产品，具有行驶安全、滚动阻力小、节 油以及耐磨等优点，可降低运输成本，其经济价值及社会效益十分显著， 因此在世界各国发展非常迅速，产量己占全球轮胎产量的9 0 以上。随 着汽车工业中新技术和新材料的应用以及汽车各项性能日趋完善。对轮胎 的稳定性、安全性等技术性能要求也越来越高。汽车制造厂商十分注重装 配技术含量高的子午线轮胎。因此目前世界轮胎市场的竞争实际上己成为 轮胎高新技术含量高低、生产技术进步快慢的竞争。子午化、无内胎化、 扁平化是当今世界轮胎发展的趋势，逐渐成为轮胎市场上的主流产品，其 特点主要有： 1 子午线胎轮与斜交轮胎的根本区别在于胎体。胎体是轮胎的基础， 它是由帘线组成的一层一层的结构。斜交线轮胎的胎体是料线交叉的帘布 层；而子午线轮胎的胎体帘线则是并排缠绕的，其胎体顶层常含有一层由 钢丝编成的钢带。 2 从设计上讲，斜交线轮胎有很多局限性，如由于交叉的帘线强烈摩 擦，使胎体易生热，因此加速了胎纹的磨损，且其帘线布局也不能很好地 提供优良的操控性和舒适性：而子午线轮胎中的钢丝带则具有较好的柔韧 性以适应路面的不规则冲击，且经久耐用，它的帘布结构还意味着在汽车 行驶中有比斜交线小得多的摩擦，从而获得了较长的胎纹使用寿命和较好 的燃油经济性。 8 第二章子午线轮胎特点及设计计算方法 3 子午线轮胎本身具有的特点使轮胎无内胎成为可能。无内胎轮胎有 一个公认优点，即当轮胎被扎破后，不像有内胎的斜交线轮胎那样爆裂 ( 这是非常危险的) ，而是使轮胎能在一段时间内保持气压，提高了汽车的 行驶安全性。 4 子午线轮胎有较好的抓地性。由于子午线轮胎的特殊胎体结构，使 得汽车在行驶中抓地结实、效果好。因此，同样车型的汽车选用子午线轮 胎比选用斜交线轮胎具有更好的操控性和舒适性。正因为子午线轮胎与斜 交线轮胎相比具有以上优点，所以，如今绝大多数汽车都选用了子午线轮 胎。 2 2 子午线轮胎结构分析 子午线轮胎( 断面结构如图2 1 所示) 由具有各向同性的胎面胶、胎 侧胶和三角胶等，各向异性的帘布层、带束层等1 0 余种材料组成。 胎冠 - 图2 - 1 子午线轮胎结构 子午线轮胎与斜交轮胎的根本区别是胎体帘线的角度与径向呈零度， 相邻层的帘线不是相交而是互相平行的。这种结构的帘线不能承受轮胎的 周向应力，所以于轮胎冠部，胎体与胎面之间配置了起箍紧作用的带束 9 西安理工大学硕士学位论文 层。带束层承受内压伸张应力的6 0 7 5 ( 斜交轮胎胎体承受8 0 9 0 ) 。所以带束层必须具有相当的强度。带束层通常由数层钢丝帘布组 成。其帘线排列角度与径向成7 0 8 0 度交角。子午线轮胎由胎冠、胎 体、胎侧和胎圈等几个主要部分组成。 胎冠指外胎两胎肩之间的整个部位，包括胎面、带束层和帘布层等。 胎面指胎冠部位带束层或帘布层以上的外胎胶层，胎面分上层冠部胶和下 层基部胶两层。冠部胶( 包括花纹块和花纹沟) 直接与地面接触，具有酬 磨损和耐切割性能，并能传导车轮的牵引力和制动力。在花纹沟底部的基 部胶，用于缓冲地面传导的振动和冲击。带束层是指在子午线轮胎胎面基 部下沿胎面中心线圆周方向箍紧胎体的材料层，主要起增强轮胎周向刚度 和侧向刚度，承受大部分的胎面应力。帘布层是指胎体中由覆胶平行于帘 线组成的布层，它是胎体的基本骨架，支撑着外胎部分。 胎体是指由一层或数层帘布与胎圈组成整体的充气轮胎受力结构，组 成子午线轮胎的胎体帘线互相平行、成弓形地从一侧胎圈绕至另一侧胎 圈，按轮胎子午线方向排列，主要作用是保持胎压和断面形状，承受由法 向负荷产生的横向拉伸应力。 胎侧是指胎肩至胎圈之间的贴在胎体侧壁部位的橡胶层，主要是作用 是保护胎体，防止受机械损伤。 胎圈是指轮胎安装在在轮辋上的部分，其主要由胎圈芯和胎圈包布等 组成，主要作用是使轮胎紧密的固定在轮辋上，防止轮胎脱离轮辋。 2 2 1 设计特点 带束层设计在子午线轮胎上是极其重要的环节，它是子午线轮胎的主 要的应力部件，其结构参数直接影响到整体轮胎的应力和变形。带束层的 帘线角度，曲率半径及其宽度等参数决定着轮胎胎面磨耗、高速性能、操 纵性和舒适性，以及轮胎各部位应力均匀分布情况。带束层设计应设法增 加周向刚度、降低滚动生热，避免带束层边缘脱空，力争带束层宽度上的 1 0 第二章子午线轮胎特点及设计计算方法 各点应力分布均匀。 胎肩部损坏是子午线轮胎的主要质量问题之一，而其损坏特点在大多 数条件下表现为带束层钢丝端点脱空现象，因此在设计子午线轮胎时应设 法减小胎肩部位应力。将轮胎变形区域移向下胎肩和上胎侧之间。又因为 子午线轮胎胎冠部坚硬而胎侧部十分柔软，所以胎肩部位外轮廓线最好用 适应轮胎变形的各种弧形设计，并尽量减薄下胎肩厚度。 胎圈部位承受着充气压力、制动力矩、侧滑和离心力，以及胎圈与轮 辋配合上所造成的复杂应力。为了改善胎圈部质量，一般应保证三方面： 提高胎圈刚性，减小胎圈部变形；均匀地从较硬的胎圈逐步向较软的胎侧 过渡，以避免应力集中；采用高强力钢丝圈，提高胎圈强度。 2 2 2 轮胎充气尺寸的计算 子午线轮胎由于胎冠部有不伸张的带束层而保证胎冠部充气时基本不 变，即轮胎外直径的充气尺寸与模型尺 寸基本相同。轮胎充气变化的部位主要 是从带束层到轮辋点的两个胎侧部。 现将胎侧变形区s 曲线放在r v 坐标轴 上，胎侧部断面与r 轴倾斜角为0 ，带 束层和轮辋点的相应宽度为2 b 和2 h ， 水平轴零点半径为r o ，田图2 2 中可 舭耻吃j 鼍等+ 等( 2 - 1 ) 充气轮胎内轮廓断面宽b o 为 b 。= 2 0 + y 。) l i 一 。俗 弋蛸 d 。已 图2 2 子午线轮胎克气形状计算示意图 ( 2 2 ) 西安理工大学硕士学位论文 y 矿( r o - r h ，g 曰一矗盼( h 2 1 k r ( 卜皿：】 ( 2 - 3 ) 轮胎充气尺寸的计算步骤如下： 根据模型尺寸材料分布图找出带束层和轮辋点，并测得相应的半 径r b 和r h 以及两点同断面对称轴的距离b 和h ，然后测量出两点间的 曲线长度s 和弦长l 。 计算出各常数： ，：堕堙曰：i ：_。o 。目：鱼二鱼 r ， 。 r b rh z 6 s 一， 1 0 肛f 丽1 f 了驴而 将各常数值代入( 2 3 ) 式，计算出零点半径r o 和内轮廓断面宽 b 。；计算强度所需的充气轮胎胎里半径与材料分布图上的模型尺寸相 同，即为轮胎外径之半减去胎冠部厚度。 2 3 各部件强度计算 子午线轮胎胎体帘布层帘线张力由下式计算 v ：! 篷：型 2 r 女n i 式中p 一标准气压，k p a r 。一胎里半径，c m r 。一零点半径，c i t i 一帘线层数： i 帘线密度，根c m 子午线轮胎胎圈钢丝圈内压应力l 为 1 2 第二章子午线轮胎特点及设计计算方法 l ：掣 其应力值为 旷蚓 2x z r 2 子午线轮胎带束层内压总张力瓦为： e = p 导一陋；一r 。2 ) 式中：f 一轮胎内轮廓横断面积，c m 2 带束层每根帘线应力为： 巧2 i b bi x 裔s i n 玎 o 6 式中：b b 一带束层宽度，c m , b - - 带束层层数： 一带束层密度，根c m 孱一带束层角度。 2 4 小结 本章较为详细地介绍了子午线轮胎的结构特点和材料分布情况以及子 午线轮胎的设计特点和计算方法，确定了轮胎的充气尺寸及相应的强度计 算的有关参数。 西安理工大学硕士学位论文 3 子午线轮胎三维整体有限元模型建立 3 1 引言 轮胎是汽车的重要组成部分，它的机械性直接影响车辆的各种性能， 轮胎的影响对汽车的操纵稳定性至关重要。因此，国内外的汽车公司在丌 发自己的新产品时，越来越注重轮胎的影响，轮胎的各种参数的设计优化 是当前的追求目标。在科技发展的今天，车辆的开发周期已经很短，这就 要求车辆设计开发人员必须运用计算机辅助工程( c a e ) 来达到设计目标。 在计算机虚拟现实模型的基础上，进行性能分析研究，发现并解决可能会 出现的问题，以提高工作效率和质量，缩短产品投放市场的时间，并大大 降低产品的开发成本。科技人员经过多年的理论研究和实践验证，得出有 限元法是一种有效的数值计算方法。 随着计算机技术的发展，有限元技术在轮胎结构分析研究中得到了越 来越广泛的应用，本章以符合实际工况为原则，以提高轮胎有限元分析的 效率、精度和可靠性为目标，在对以往研究归纳、整理、改进的基础上， 对轮胎有限元模型规范化进行了研究，并借助大型有限元分析软件a n s y s 的二次开发语言a p d l 实现了予午线轮胎建模和分析计算的自动化、智能 化，大大减小了轮胎建模与分析的工作量，提高了新产品研发效率。 3 2 通用软件简介及单元的选取 a n s y s 是目前世界顶端的有限元商业应用程序。美国j o h ns w a n s o n 博士于1 9 7 0 年创建a n s y s 公司后，便开发出了浚应用程序，以此用计算 机模拟工程结构分析，历经3 0 多年的不断完善和修改，现成为全球的工 程应用最受欢迎的应用程序，是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型分 析设计类软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 1 4 第三章子午线轮胎三维整体有限元模型的建立 及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国 压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用。 该应用程序拥有丰富的、完善的单元库、材料模型库和求解器，保证 了能够高效地求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题，并 能有效地求解温度场问题、散热场以及多场耦合问题；广泛地应用于国 防、航空航天、汽车、船舶、能源、机械电子工程等领域中。它的完全交 互式前后处理和图形文件，大大减轻了用户创建工程模型，生成有限元模 型以及分析和评价结果的工作量；它的统一和集中的数据库，保证了系统 各模块之间的可靠和灵活的集成；它的d d a 模块实现了它与多个c a d 软件 产品的有效连接，如p r o e n g i n e e r ，n a s t r a n ，u g ，a u t o c a d 等，实 现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。a n s y s 的 各种产品适应于各种计算机平台的版本，为用户提供了各种可能的选择 f i 8 19 在建立几何模型时，a n s y s 程序的前处理器为用户提供了建立分析模 型的工具。与其他有限元分析软件相同，a n s y s 的前处理器实际上是一个 专用的c a d 软件，具有c a d 软件的基本功能。主要的区别在于它可以为建 立的物理模型赋予物理意义，例如材料的属性、边界的约束条件等等，而 普通的c a d 软件不具有这部分功能。但是，a n s y s 程序为很多c a d 软件提 供了数据接口，可以将其他c a d 软件建立的模型直接导入到a n s y s 处理器 中。简单的几何模型可以直接导入到a n s y s 中几乎不用修改，再定义单元 尺寸，然后进行自动网格划分，按总体坐标系定义材料特性，这样就可以 得到正确的有限元模型，而这些c a d 软件的几何建模功能无疑将比a n s y s 的前处理器要强大很多，但是这种方法大多数情况下只适用于结构或材料 特性简单的物体，对于建立轮胎的有限元模型时，则不能采用常规的方 式。常规方式无法真实的反映出轮胎内部的实际材料构成，对于分析也会 造成极大的不准确性，不能真实的反映出轮胎的应力、应变和变形趋势。 由于轮胎是由多种材料组成，且每一种材料在不同的位置方向下，用 1s 西安理工大学硕士学位论文 单一的总体坐标系无法恰如其分地模拟，而要依赖每个单元的局部坐标来 定义材料特性。为了既保证分析的精确性，又保证计算的可行性，单元类 型的选取必须采用能反映轮胎各部件材料本构规律的单元来模拟，因此在 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。具体来说， 文中将采用a n s y s 所提供的s o l i d 4 5 体单元和s o l i d 4 6 层单元通过直接创 建节点和单元的办法建立了轮胎整体的三维有限元模型。对于各向异性材 料部位，采用s o l i d 4 6 层单元模拟，这样可方便地根据模型材料的具体情 况对层单元再进行“层中分层”，最多可达1 0 0 多层，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内部的实际构成。对于地面一轮胎接触问 题用三维刚一柔接触模型模拟，路面视为刚性的目标面，轮胎取为柔性的 接触面，目标单元采用t a r g e l 7 0 单元，接触单元采用c o n t a l 7 4 单元。 s o l l d 4 5 体单元 s o l i d 4 5 体单元用于三维体结构的模型分析，单元由8 个节点组成， 每个节点有3 个自由度，即x 、y 、z 方向的位移；图3 - 1 为它的结构示意 图。元素具有塑性、潜变、膨胀、应力强化，大变形和大应变的特点a 单 元需要定义的材料常数有杨氏弹性模量、剪切弹性模量和密度等；输出结 果主要有节点各方向的应力、应变、位移、主应力、主应变以及相应的单 元导出解。 1 6 图3 - ls o l i d 4 5 单元 巍至眵锻如 第三章子午线轮胎三维整体有限元模型的建立 s o f 。i d 4 5 体单元主要用来模拟胎冠胶、胎圈部位等由单一材料构成的 三维结构。 8 0 l l d 4 6 层单元 s 0 l l d 4 6 层单元是s o l i d 4 5 体单元层状化后的形式，主要用于模拟分 层的厚壳或体。它有8 个节点定义组成，每个节点有3 个自由度，即x 、 y 、z 方向的位移，单元允许有多达1 0 0 多层不同厚度的材料层。层单元 还可根据需要再进行“层中分层”，最多达l o o 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内部的实际构成，其结构示意图如图3 2 。 s o l i d 4 6 层单元主要用来模拟胎侧部位、帘布层、带束层等具有多层 复合结构的部位，每层都可以为各向异性。s o l i d 4 6 层单元的采用，使得 可在基本相同分析精度要求下，大幅度地减少单元总数，提高分析效率。 图3 - 2s o l i d 46 单元 单元需要定义的材料常数为每层x 、y 、z 方向的杨氏弹性模量、剪切 弹性模量和密度等；需要定义的实常数为每个单元的总层数、每层的厚 度、每层材料的方向角度、材料特性号和参考平面号等。单元输出的主要 结果除了与s o l i d 4 5 体单元相同的部分外，还可输出层坐标下层间方向的 应力、应变等。 7 醪零| 西安理工大学硕士学位论文 3 ，3 接触分析的步骤 接触问题的研究很早就引起了人们的重视。早在1 8 8 2 年，h e r z 就比 较系统地研究了弹性体的接触问题，并提出经典的h e r z 接触理论。随着 数值解法的兴起和发展，出现了许多求解接触问题的非经典方法，有限单 元法作为解决复杂工程问题的最有效的数值方法，也成为求解接触问题的 一种主要方法。 a n s y s 接触分析能解决典型的状态非线性问题，在工程实践中应用广 泛，计算实践表明，a n s y s 所提供的接触分析方法本身是可靠的，但必须 注意到成功地分析结果不仅仅取决于计算方法是否可靠，在很大程度上还 取决于分析模型与工程问题的近似程度由于接触类型的多样性、接触界 面物理性质的复杂性，从模型建立到求解的整个具体接触分析过程设计是 否合理对计算收敛性和计算精度有很大的影响。具体说来，有限元模型中 接触区域的网格密度、接触界面类型和接触刚度、摩擦系数等物理性质参 数的设定列分析结果有较大的影响。 接触问题是一类非线性问题，但仅就其本身而言，既非材料非线性问 题也不是几何非线性问题，而属于边界条件非线性问题。在接触问题中边 界条件不是在计算开始前即可给出，它们是计算结果，接触物体间接触面 的面积与压力分布随外载荷的变化而变化，并与接触体的刚性有关，这是 接触问题的特点，也是它的难点。 进行接触分析时，把接触体人为地划分为主动体( c o n t a c tb o d y ) 和 被动体( t a r g e tb o d y ) ，选取主动体与被动体的一般原则是：对于单侧 接触问题或两个物体中之一的硬度较大时，主动体的选择是很显然的；而 对于两个物体的硬度接近时，选择主动体就很困难了，这将影响最后的结 果。对于轮胎与地面的刚一柔接触，将地面视为刚性目标面，轮胎视为柔 性接触面。 接触分析的基本步骤如下： 第三章子午线轮胎三维整体有限元模型的建立 1 、设置单元类型和实常数 2 、建立有限元模型 3 、识别接触对，生成接触单元 通过目标单元和接触单元来定义模型在变形期间可能发生接触的区 域。接触区域可以任意定义，然而为了更为有效的进行计算，应尽量定义 更小的局部化接触区域，但要能保证它足以描述所需要的接触行为，不同 的接触对必须通过不同的实常数号来定义。 4 、生成控制节点( p i l o t 节点) ： 刚性目标面可能会和“p i l o t 节点”联系起来，p i l o t 节点实际上是 一个只有一个节点的单元。通过这个节点的运动可以控制整个目标面的运 动，因此可以把p i l o t 节点作为刚性目标的控制器。整个目标面的受力和 移动情况可以通过p i l o t 节点表示出来，p i l o t 节点可以是目标单元中的 一个节点，也可能是一个任意位置的节点，定义了p i l o t 节点，a n s y s 程 序中在节点上检查边界条件，而忽略其他节点上的任何约束。可以使用 k i f i e s h 命令来生成。 5 、检验目标面的接触方向和接触单元外法线的方向； 6 、给定必须的边界条件： 7 、定义求解选项； 8 、求解； 9 、查看结果。 3 4 参数化建模 参数化建模是指先用一组参数来定义几何图形( 体素) 尺寸数值并约束 尺寸关系，然后提供给设计者进行几何造型使用。它的主题思想是用几何 约束、数学方程与关系来说明产品模型的形状特征，从而得到簇在形状 或功能上具有相似性的设计方案。 对于产品设计来说，其目的是为了满足工业生产、科学研究和实际生 1 9 西安理工大学硕士学位论文 活的需要。对于实际需要提出的各种各样的要求，工业产品在功能上，型 号上都要不断的进行改进。如果以往的设计不能满足功能的要求，就要重 新设计产品；如果仅是应用工况的不同造成的产品在尺寸方面的不同，只 需要开发不同尺寸型号的产品就可以了。对于系列化、通用化和标准化的 定型产品，这些产品设计所采用的数学模型及产品的结构都是相对固定不 变的，所不同的只是产品的结构尺寸有所差异，而结构尺寸的差异是由于 在相同类型的条件下，在不同规格的产品设计中取不同值造成的。对于这 类产品进行设计时，采用参数化建模方法对尺寸迸行替换，这样对于不同 结构尺寸的产品只需要改变相应参数化尺寸的值就可以自动迅速的得到产 品的模型，省去了大量重复过程，提高了设计生产效率。基于此优点，参 数化建模的思想与功能在诸多c a d 软件中得到应用实现。 三维c a