汽车轮胎二维稳态温度场的数值分析

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1、汽车轮胎二维稳态温度场的数值分析李杰魏建华赵旗(吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室)摘要:通过对滚动轮胎进行合理假设，在MSC.Patran系统中建立了国产9.00-2012PR尼龙斜交轮胎二维稳态温度场有限元分析模型，用MSC.Nastran热分析求解器计算了轮胎的温度场分布，计算结果反映了轮胎的温度分布。通过拟合得到最高温升与车速的基本线性关系，该公式可以用来简单预测轮胎不同车速稳态的最高稳升，对轮胎结构设计与使用有一定的指导意义。1前言对轮胎生热及其温度场的研究有试验法和数值计算法[1-3]。试验法是通过试验直接测量轮胎温度场的分布，这种方法有一定的局限性。随着

2、有限元技术和计算机技术的发展，越来越多的研究者采用数值计算法获得轮胎温度场的分布，以便在设计之初就能优化轮胎结构和进行配方设计，提高轮胎的使用寿命。本文应用MSC.Patran系统对汽车轮胎二维稳态温度场进行数值分析，通过计算得到轮胎达到生热与散热平衡时的温度场，以便为轮胎寿命预测提供依据。2汽车轮胎二维稳态温度场的有限元建模2.1汽车轮胎二维稳态温度场的基本假设汽车轮胎温度场分析是一个非常复杂的课题，为了简化计算，对轮胎温度场模型提出如下假设：（1）轮胎形状是轴对称，不计花纹的影响。（2）轮胎滚动过程中，其周向方向不存在温度梯度，任一微元体从地面所吸收的功，被均匀分

3、配到整个圆周上，即周向无温度梯度假设。（1）轮胎在定载和定压状态下工作，由橡胶组成，且材料为各向同性。（2）轮胎在连续行驶一段时间后，达到热平衡状态，可看作稳态热传导问题。（3）忽略接触摩擦生热和辐射换热。根据上述假设，可将汽车轮胎温度场分析问题简化为通过对称轴的一个子午线平面来计算模拟轮胎内部温度分布的二维平面问题。2.2MSC.Nastran的热分析功能MSC.Patran系统中链接的求解器MSC.Nastran具有较强的传热分析能力，提供了一维、二维、三维、轴对称等传热分析单元，可求解各种形式的传热问题：传导、对流和辐射，可以进行稳态或瞬态传热分析，线性和非线性

4、传热分析。它提供的材料热属性有：导热率，比热，密度，热容等，对于线性稳态热分析，用到只是导热率。MSC.Nastran热分析支持多种热载荷和边界条件，包括：温度、法向热流、定向热流、节点热源、对流热流、对流换热系数和辐射换热等。所有这些热边界条件都可以用时间函数来模拟，可以加载有限单实体和几何实体上。进行汽车轮胎稳态温度场分析时，所要做的工作就是根据求解问题的需要和MSC.Nastran内部的定义规则，建立汽车轮胎温度场的有限元分析模型，也就是生成具有一定边界条件、特定物理性质的有限元模型。在MSC.Patran中利用MSC.Nastran求解器计算汽车轮胎温度场的步

5、骤为：前处理—建立有限元分析模型、分析计算和结果后处理—结果的分析和评价等三个步骤，而前处理又由几何模型建立、有限元网格生成，材料模型和单元特性建立、载荷和边界条件确定等步骤组成。2.3几何模型的建立图1轮胎几何模型图仿真所用轮胎为国产9.00-2012PR尼龙斜交胎，其结构几何参数为：外直径D=1018mm，断面宽b=249mm，胎冠厚δ=32.5mm，胎冠帘线角，胎圈厚度=34mm，胎圈弧度半径=45mm，轮辋规格为6.5-20in，轮胎标准载荷，标准胎压。将轮胎、轮辋结构几何参数作为基本参数输入，使用自行开发的轮胎几何模型自动生成PCL模块[3]，得到轮胎的几何

6、模型如图1所示。2.4有限元网格的生成图2轮胎有限元网格对于二维模型，MSC.Patran提供的网格单元有三、七、九节点三角形单元CTRIA和四、五、八节点四边形单元CQUAD。这里，采用四节点四边形等参单元CQUAD4生成网格，每个单元上有4个节点，每个节点上具有一个自由度—温度。MSC.Patran软件系统提供的二维网格生成器有：均匀生成器isomesh和平铺生成器paver。对于复杂结构体，也就是生成的不是简单曲线构成的实体时，要采用paver。由于本文假定轮胎材料模型为均质各向同性，而且生成的实体为简单实体。因此，在单元生成时利用均匀生成器isomesh生成网

7、格，采用节点种子(MESHSEED)控制网格的疏密分布。生成的网格模型如图2所示，轮胎和轮辋一共生成131个节点，81个单元。2.5材料模型和单元特性的建立在MSC.Patran中生成的网格并不没有对应的单元特性，在没有加载特性之前只具有一般的几何属性，而不具有物理属性，不能用于有限元计算。为了给定单元特性，必须先给出一定的材料模型，以便把这些材料模型加载到网格模型上，使其具有相关的物理属性。轮胎的材料属于典型的复合材料，其力学参数和热学参数都比较难以确定，这部分的内容可以作为专门的课题进行研究。为了简化计算，本文把轮胎看成均质各向同性材料，即用橡胶