帘线角对子午线轮胎力学性能的影响——基于含复杂花纹的轮胎有限元静力分析研究

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1、第26卷第1期应用力学学报V01．26NO．12009年3月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSMar．2009文章编号：1000—4939(2009)01—014卜O5帘线角对子午线轮胎力学性能的影响基于含复杂花纹的轮胎有限元静力分析研究李兵李子然夏源明(中国科学技术大学230027合肥)(中国科学院材料力学行为和设计重点实验室230026合肥)摘要：使用组合模型技术构建了计及复杂胎面花纹且具有不同带束层帘线角的一系列轮胎有限元模型，所有模型沿轮胎周向的网格均是非均匀划分的，在接地区划分

2、得较精细以得到更精确的分析结果；使用多种试验结果与计算结果对比的方法对模型和算法进行了较充分的考评；在此基础上研究了带束层帘线角对静负荷状态下轮胎结构力学性能的影响。研究结果表明，轮胎径向刚度随帘线角的增加而减小，并在帘线角超过25．4。后急剧减小；胎肩部橡胶危险区域的应力应变水平随帘线角的增加先增加后减小，并均在l9．4。附近达到最大值。此外，带束层帘线沿横向变角度铺设的轮胎具有较好的力学性能，在保证较高径向刚度的同时，改善了带束层帘线和胎肩部橡胶的受力状况。关键词：了午线轮胎；有限元分析；帘线角；胎面花纹；组合模

3、型中图分类号：TQ336．1；TB124文献标识码：A考虑了帘线角在较小范围内的变化，同时在建模时1引言均对实际的复杂胎面花纹进行了不同程度的较多简化，而文献[9妇指出，这种简化会对轮胎胎冠部的应带柬层作为子午线轮胎区别于斜交胎的主要结力应变场以及接地压力分布等产生显著影响。构，对子午线轮胎的结构力学性能起着至关重要的作实际上，建立计及复杂花纹的高效的轮胎有限用；其帘线铺设角度(帘线轴向与轮胎周向之间的夹元模型(以下简称花纹轮胎模型)至今仍是工程与学角，简称为帘线角)则是带束层结构的重要设计指标术界的挑战性课题。Gh

4、oreishy将组合模型技术应之一。文献[1指出，带束层帘线角一般在15。～2O。，用于建立花纹轮胎模型[1，在该模型中，轮胎由沿但并未给出进一步的说明；实际上，许多知名轮胎的周向均匀划分网格的主体部分和复杂胎面花纹部分帘线角已远远超过了这一范围，例如米其林公司的u组合而成(本文称之为均分的组合花纹轮胎模型)，形包边带柬层[2中，使用了28。和32。的帘线角。从而提高了整个模型的计算精度。但这种方法得到Kennedy等口建立轴对称的轮胎有限元模型，的模型规模较大，这会导致计算效率较低甚至无法考察了帘线角对子午线轮胎充

5、气状态应力应变场的收敛；另外，Ghoreishy的模型中主体部分在接地区影响；同时文献Es]指出，轴对称模型在考察结构参的网格仍较粗，这会导致接地压力的计算结果与实数对带束层端部耐久性的影响时可能导致错误的结际情况误差较大。论。文献使用三维有限元模型研究了帘线角对本文企图以185／60R14半钢子午胎为参考轮子午线轮胎静负荷状态应力应变场的影响；但这些胎，采用组合模型技术构建一系列具有不同带束层文献均没有对模型和算法进行较充分的考评，且仅帘线角的非均分的组合花纹轮胎模型，并对模型和*来稿日期i2007—09—30修回

6、日期：2008—10—29第一作者简介：李兵，男，1980年生，中国科技大学力学与机械工程系，博士生；研究方向——子午线轮胎结构有限元分析。E-mail：lib—ing．china@tlStC．edul42应用力学学报第26卷算法的有效可靠性进行较充分严格的考评；在此基胶平板上切割花纹沟和划分网格，并进行坐标变换础上，研究帘线角改变对静负荷状态下子午线轮胎得到；轮胎主体部分则由轴对称模型旋转生成，沿周的径向刚度、帘线受力分布和胶料应力应变场等的向非均匀地划分为38分，并在接地端划分得较为精影响。细(如图2所示)。使用

7、这种建模方法既能大大减小模型的节点和单元的数量，进而提高求解效率；又能2分析模型及考评显著提高轮胎接地区的计算精度。最后将轮胎主体部分和胎面花纹部分通过组合模型技术约束在一2．1有限元模型起。整个轮胎模型共包含23892个橡胶实体单元，既包含纵向花纹又包含横向花纹的轮胎模型通单元类型为考虑周向剪切变形的、完全积分、常压力过组合模型技术建立。在如图1所示的建模过程杂交六面体单元。中，胎面花纹部分通过在长度相当于轮胎周长的橡图1计及复杂胎丽花纹的轮胎模型的建模过程图3带束层帘线角的不均匀分布有不同的拉压性能，帘线材料的压

8、缩模量取为拉伸模量的1／10Lto3。基于上述建模方法共建立了1O个非均分的组图2轮胎主体部分沿周向的网格划分合花纹轮胎模型，包括带束层帘线等角度分布的9轮胎胶料的超弹性本构模型选用Yeoh模个模型c104、cl34、c164、cl94、c224、c254、c284、型mj，使用了本实验室自动网格法[1胡测出的材料参c314和c344(帘线角分