浅谈基于rebar单元的航空轮胎模型建立与分析论文

浅谈基于rebar单元的航空轮胎模型建立与分析论文 航空轮胎是飞机起落架的主要组成部分，担负着飞机起飞、着陆和滑行的关键作用，也是飞机起降时唯一直接接地的部件。相对于地面汽车轮胎来说，航空轮胎速度高、负荷大、充气内压高的使用特点决定了其必须承受比其他类型轮胎更苛刻的考验。本工作以H44.516.5-21型航空轮胎为研究对象，利用有限元分析方法，对航空轮胎进行仿真分析，研究其各项力学特性，可用于航空轮胎的结构设计与性能优化。 1 航空轮胎的建模 1.1 模型的简化 航空轮胎的结构及其力学特征非常复杂，建立有限元分析模型时，要综合考虑轮胎的材料非线性、几何非线性、接触非线性，这样会导致计算非常复杂。因此，在实际要求允许的情况下，可以对轮胎模型进行简化，以期在收敛的结果下尽量得出轮胎在充气载荷下的真实变形情况。 1)轮胎在充气、受载荷的过程中整体受力情况是轴对称的，因此在进行有限元分析时，为了简化分析和计算过程，取断面的一半进行分析，也便于后期计算的收敛。 2)对于轮胎充气过程的模拟，采用二维轴对称模型不但可以反映工况特点，而且还节约了建模及计算时间。 3)在建立二维轴对称模型时，简化了轮胎结构的一些细节，比如胎面花纹，因为它对充气作用下轮胎分析结果影响不大。 4)航空轮胎中的胎体帘布层均是帘线橡胶复合材料，其性能呈现明显的各向异性。 采用加强筋(rebar)模型。加强筋模型是将加强筋部分和基体部分由加强筋单元和实体单元来表示，即在基体单元中包括一层或更多层不同方向的带束层。基体单元和加强筋单元用的是相同的节点，没有引入附加自由度，不增大计算规模。 在ABAQUS中有2 种方法定义rebar单元：一种是直接将rebar单元定义在橡胶实体单元内;另一种是先将rebar单元定义在面单元上，再将面单元嵌入到相应的橡胶实体单元内。本研究采用第二种方法。 1.2 单元类型的选择 模拟中单元类型的选择依据： 1)作为典型的非线性超弹性材料，橡胶具有不可压缩或近似不可压缩的特点，当承担一定的负荷时，橡胶的变形会很大，而其总体积却不会增大，因此不能通过唯一节点的特性来计算橡胶所受的应力大小，所以选择杂交单元来模拟，它具有对附加自由度的应力计算; 2)在接触计算中，轮胎对单元的选择很严格，因此选取用四边形单元(二维空间)来模拟; 3)摩擦接触计算中容易出现局部单元扭曲问题。与二阶单元相比，线性单元能更好地对局部单元的扭曲进行模拟，因此选择线性单元; 4)由于线性减缩积分单元在进行轮胎分析时，其精度不如完全积分单元精度高，因此不选减缩积分单元; 5)帘布层的帘线方向与轮胎子午线方向呈一定角度，轮胎会发生绕旋转轴的扭转变形，所以应选择扭曲单元。 综上所述，所选择的单元类型为：平面轴对称模型中橡胶基体tire单元用CGAX4H(4节点、双线性、扭曲、完全积分、常压力杂交实体单元)和CGAX3H(3节点、双线性、扭曲、完全积分、常压力杂交实体单元);rebar单元选SFMGAX1(2节点、线性、扭曲、轴对称膜单元)。 1.3 轮胎有限元模型的建立 通过单轴拉伸试验测得单一材料的应力应变曲线，Yeoh模型对较复杂的变形状态具有良好的预报能力，因此选用Yeoh模型进行曲线拟合。H44.516.5-21型航空轮胎的二维模型。总共生成节点6 129个，单元5 942个。其中包括 2 轮胎的有限元分析结果 2.1 位移分析 轮胎充气后的变形图。充气结束后实测所得断面宽为408mm，外直径为1 122mm。胎冠部分向外突出最明显，最大位移出现在胎冠处，胎侧处稍微往里收缩，轮胎的胎圈部分基本保持不动，胎肩处的变形为前两者的过渡。胎面上的轮胎半径参考点向外扩张，沿U1位移31.872mm，充气后的轮胎半径为1 079.744mm。断面宽度测量点沿U2方向扩张，位移为21.248mm，充气后的轮胎断面宽度为410.496mm，符合表1中所规定的轮胎充气尺寸范围。与实测轮廓相比轮胎变形的趋势比较接近实测轮廓，能和实测轮廓很好地吻合。 2.2 应力分析 不含钢丝圈与含钢丝圈的轮胎充气后VonMises应力分布。含与不含钢丝圈的轮胎充气后最大位移是相同的。在轮胎中钢丝圈的周向应力是最大的，远远大于轮胎中其它的部位。这是因为轮胎断面为“C”形开口状，当内部充气时，必须使用周向刚度很大的钢丝圈来箍住胎圈，防止其产生径向移动而脱离轮辋，由此可得钢丝圈是轮胎结构中非常关键的受力部件。 2.3 帘线受力分析 含钢丝圈的轮胎充气后帘线应力分布。 充气完成后，帘布层在胎冠部位的周向应力也较大。帘布在胎体中为主要受力构件，它在周向和子午方向的应力比较突出，周向应力由胎冠到胎圈有明显的减小趋势;而子午方向应力在胎肩处比较大，其次是胎冠和胎侧，三角胶处稍微小一些。可见充气轮胎中帘线和钢丝圈等骨架材料承担主要受力部分，橡胶并不是主要受力部件。 2.4 应变分析 含钢丝圈的轮胎充气后应变分布整个胎体的应变比较均匀，厚度方向有显著的压缩应变，这是由于胎体沿厚度方向的弹性模量比较低，接近于橡胶的弹性模量而造成的。由此可知轮胎在充气状态下胎体厚度有明显变薄的特征。 3 结 论 对比所获得的充气轮胎的断面宽和充气半径，符合轮胎的参数要求范围，对充气