馮聰利 小松

摘要：輪胎是橡膠工業(yè)生產(chǎn)中重要的產(chǎn)品之一，汽車(chē)在行駛過(guò)程中，與地面接觸的唯一的執(zhí)行部件就是輪胎。輪胎的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)對(duì)汽車(chē)的使用性能有著重要影響與決定作用。隨著當(dāng)代社會(huì)車(chē)輛對(duì)輪胎的安全性能和使用壽命要求越來(lái)越高，因此研究輪胎對(duì)汽車(chē)燃油的動(dòng)力性、制動(dòng)性、操縱的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等各項(xiàng)指標(biāo)很有意義。本文以ABAQUS軟件為載體，以12.OOR20 18PR載重子午線輪胎為研究對(duì)象，模擬輪胎在靜載狀態(tài)下的應(yīng)變量和下沉量，為后續(xù)研究輪胎在不同速度、載荷、輪胎氣壓及地面摩擦系數(shù)的工況下應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化規(guī)律奠定一定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：載重子午線輪胎;有限元分析;靜載狀態(tài)

1 引言

輪胎作為汽車(chē)的重要支撐部件，影響著汽車(chē)的舒適性和安全性，隨著對(duì)高速性和越野性要求的不斷增強(qiáng)，對(duì)輪胎的要求也更高[1]。子午線輪胎的帶束層、簾布層是主要受力部件，承受氣壓、載荷并且緩沖輪胎受到的外部沖擊[2]。輪胎在使用過(guò)程中力學(xué)性能會(huì)逐漸降低，一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)及輪胎生產(chǎn)制造廠家都把輪胎失效機(jī)理的研究與如何降低成本提高輪胎的使用壽命作為重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行不斷的研究探討[3]。文獻(xiàn)[4]主要是對(duì)子午線輪胎胎面磨損性能進(jìn)行有限元分析，以及在ABS制動(dòng)狀態(tài)下對(duì)胎面花紋磨損進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[5]研究了不同工況參數(shù)對(duì)輪胎磨損性能的影響，并對(duì)輪胎的簾線參數(shù)和膠料性能進(jìn)行優(yōu)化，得出了輪胎在不同工況下的磨損特征。文獻(xiàn)[6]考慮輪胎材料、幾何及其與地面接觸的非線性，借助ABAQUS軟件建立了子午線輪胎滾動(dòng)瞬態(tài)碰撞的三維有限元模型，并與輪胎徑向剛度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了模型的有效性。因此利用有限元分析軟件解決輪胎問(wèn)題的可靠性和準(zhǔn)確性受到人們的廣泛關(guān)注，同時(shí)也為開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)制造出更加安全、穩(wěn)定、舒適的輪胎提供了有力的工具和重要的參數(shù)。

2 子午線輪胎概述

2.1 子午線輪胎基本結(jié)構(gòu)

子午線輪胎的結(jié)構(gòu)、材料的組成都非常復(fù)雜。一般情況下，輪胎是由橡膠及簾線組成的復(fù)合體，主要由胎冠、胎側(cè)、胎圈組成其斷面結(jié)構(gòu)，如圖1 （a）所示。胎面、帶束層、簾布層和胎肩墊膠等組成為共胎冠;胎側(cè)膠、簾布層為胎側(cè)部分且位于外胎側(cè)部，主要作用是保護(hù)簾布層不受到損壞;鋼絲圈、鋼絲圈填充膠、簾布層和胎圈鋼絲加強(qiáng)層等構(gòu)成其胎圈部分，其主要作用是使輪胎貼緊在輪輞上，防止輪胎與輪輞脫離，并承擔(dān)輪胎與輪輞之間的相互作用力。如圖1 （b）所示：

2.2子午線輪胎破壞類型

輪胎在行駛過(guò)程中由于受到地面摩擦、周期性載荷、以及橡膠骨架之間摩擦的共同作用，會(huì)產(chǎn)生變形和滯后損失現(xiàn)象，從而使胎面溫度升高根據(jù)熱傳遞原理會(huì)導(dǎo)致整個(gè)輪胎溫度升高進(jìn)而造成輪胎結(jié)構(gòu)的破壞而使其綜合力學(xué)性能下降。

子午線輪胎破壞形式有機(jī)械破壞、熱破壞、疲勞破壞三種形式。這三種破壞形式關(guān)系密切，機(jī)理復(fù)雜。

2.3子午線輪胎損耗機(jī)理分析

熱破壞是輪胎破壞的最主要的形式之一，輪胎在行駛過(guò)程中，產(chǎn)生熱源的形式主要有兩種：一種是輪胎行駛時(shí)與地面之間的摩擦作用產(chǎn)生的熱量;另一種熱源來(lái)自周期性的應(yīng)力應(yīng)變引起粘彈材料的滯后損失。

影響輪胎磨損的主要因素包括：輪胎結(jié)構(gòu);胎體骨架材料;輪胎氣壓;車(chē)輛的行駛速度;路面的影響。

3 子午線輪胎材料參數(shù)確定及有限元模型建立

利用大型非線性有限元分析軟件ABAQUS建立礦用12. OOR2018PR全鋼載重子午線輪胎斷面輪廓圖、二維軸對(duì)稱有限元模型的建立、邊界條件的確定以及仿真參數(shù)的設(shè)置，準(zhǔn)確的建立輪胎網(wǎng)格模型，使得仿真結(jié)果精確，進(jìn)而為后續(xù)研究不同工況下輪胎的應(yīng)力場(chǎng)及溫度場(chǎng)的分析奠定一定的基礎(chǔ)。

3.1 子午線輪胎材料參數(shù)確定

子午線輪胎實(shí)物如圖2 （a）所示，輪胎截面結(jié)構(gòu)如圖2 （b）所示，本文研究對(duì)象全鋼載重子午線輪胎12. OOR20

18PR主要技術(shù)參數(shù)如表l所示。

3.2子午線輪胎幾何模型建立

本文運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件ANSYS建立輪胎截面、輪胎分割線、加強(qiáng)筋曲線、輪胎分割區(qū)域，保存為“stp”通用格式，然后導(dǎo)入到ABAQUS之后的進(jìn)行零部件的建立，建立的輪胎截面、加強(qiáng)筋截面、上下輪輞零件如圖3所示，其中輪胎的截面類型應(yīng)當(dāng)為（ deformable），基本單元為殼單元（shell）;加強(qiáng)筋曲線類型可變形（deformable），基本單元為線單元輪輞類型解析剛體（ Analyticalrigid），同時(shí)在輪輞上設(shè)置2個(gè)參考點(diǎn);之后對(duì)建立的零件進(jìn)行裝配，裝配后的輪胎截面模型如圖4所示。

在對(duì)礦用12. OOR2018PR全鋼載重子午線輪胎建模時(shí)為了減小仿真時(shí)間、提高計(jì)算結(jié)果的收斂性以及效率，對(duì)輪胎的二維模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化：1）只考慮了輪胎的周向花紋，忽略了輪胎的徑向花紋;2）地面和輪輞在仿真過(guò)程中設(shè)置為剛性材料;3）輪胎的幾何結(jié)構(gòu)視為軸對(duì)稱模型;4）忽略輪胎表面的磨損指示標(biāo)記、凹陷的外形輪廓以及規(guī)格標(biāo)識(shí)等部位：5）簡(jiǎn)化胎肩部位的輪廓曲線。

3.3網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格模型建立

分別定義輪胎、加強(qiáng)筋等網(wǎng)格，并設(shè)置相應(yīng)的網(wǎng)格類型和網(wǎng)格大小，其中輪胎網(wǎng)格尺寸大小設(shè)置為8 （Approximate global size），Element Library選為Standard， Family選擇Axisymmetric Stress， Geometric Order選擇Linear模式，同時(shí)選擇三角形（Tri）和四邊形（Quad）雜交網(wǎng)格類型;加強(qiáng)筋網(wǎng)格尺寸大小控制為5，曲率控制為0.1，網(wǎng)格類型為Surf ace，Geometric Order選擇Linear模式;輪輞設(shè)定為剛性，不劃分網(wǎng)格，劃分后的二維網(wǎng)格如圖5所示，輪胎輪輞劃分后的有限單元體模型如圖6所示;

由于輪胎截面具有對(duì)稱性，利用tSYMMETRICMODELGENERATION. REVOLVE， TRANSPORT， ELEMENT-3000，NODE=3000”命令在ABAQUS的全局柱坐標(biāo)系下對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行增量復(fù)制，節(jié)點(diǎn)增量為3000，同時(shí)建立路面的仿真模型，并在與地面接觸區(qū)域適當(dāng)加密節(jié)點(diǎn)，利用160.，5，，C40.，20，，G160.，5，，C命令完成網(wǎng)格加密處理，操作完成后得到三維網(wǎng)格模型如圖7所示。

3.4邊界條件的施加

首先在ABAQUS中的interaction模塊分別設(shè)定輪輞和輪胎之間的表面為相互作用面，如圖8所示，之后在interactionProperty Manager中并設(shè)定切向接觸之間的摩擦系數(shù)為0.2，法向之間的接觸選擇默認(rèn)選項(xiàng)。最后在Constraint Manager中把骨架材料嵌入到相應(yīng)的區(qū)域中，類型方式選擇Embedded region。

在定義完相互作用之后，利用ABAQUS中的Load模塊在輪胎的內(nèi)表面定義充氣壓力，最后在Boundary Condition Manager定義約束條件，設(shè)定輪輞的2個(gè)參考點(diǎn)限制其2個(gè)自由度為0，用于模擬輪胎的靜止?fàn)顟B(tài)，結(jié)果如圖9所示：

4 結(jié)論

利用ABAQUS有限元法，完成礦用12. OOR20

18PR全鋼載重子午線輪胎的幾何建模、網(wǎng)格劃分、三維網(wǎng)格模型建立及邊界條件施加。為后期利用有限元模型分析輪胎裝配后應(yīng)力變化，輪胎完成充氣后斷面的應(yīng)力場(chǎng)變化，模擬輪胎靜載狀態(tài)下的應(yīng)變量及下沉量，為后續(xù)研究不同速度、載荷、輪胎氣壓及地面摩擦系數(shù)的工況下應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化規(guī)律奠定一定理論基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介——

馮聰利：（1984-），女，陜西周至人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)。

解小松：（1985-），男，陜西周至人，電氣工程師，主要研究方向：電氣自動(dòng)化。