子午线轮胎脱圈试验仿真分析

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1、研究·开发弹性体，２０１３－０２－２５，２３（１）：３３～３６ＣＨＩＮＡＥＬＡＳＴＯＭＥＲＩＣＳ子午线轮胎脱圈试验仿真分析＊王伟，聂守亮（青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室，山东青岛２６６０４２）摘要：借助ＭＳＣ．ＭＡＲＣ有限元分析软件，根据子午线轮胎的实际结构，考虑了轮胎与轮辋的接触，建立轮胎的平面轴对称模型和三维有限元分析模型，对轮胎脱圈试验进行了仿真分析。文中给出了脱圈压块在不同压缩量下轮胎的变形情况，并给出了脱圈过程中脱圈压头作用力的变化趋势，得到最小脱圈阻力模拟值与试验结果吻合较好。关键

2、词：子午线轮胎；非线性有限元分析；轮胎脱圈试验中图分类号：ＴＱ３３６．１；Ｕ４６３．３４１；Ｏ２４２．２１文献标识码：Ａ文章编号：１００５－３１７４（２０１３）０１－００３３－０４汽车工业的迅猛发展，给中国轮胎工业带来１轮胎有限元模型了巨大的发展空间。这种发展不仅要求数量的增加，更重要的是性能的提高，以满足不同车辆及路１．１平面轴对称有限元分析模型况的要求。成品胎室内试验是轮胎生产质量管理根据１８５／７０Ｒ１４半钢子午线轮胎材料分布和质量保证体系的一个重要组成部分，能反映出图，生成单元网格的几何模型，如图

3、１所示。轮胎结构的综合性能、标准公差及安全性能等指［１］标。［１］轮胎的室内检验方法主要包括：轮胎外缘尺寸、耐久性试验、高速试验、强度试验、脱圈阻力试［２］验等。其中脱圈阻力试验是基于实际应用条件进行的静态模拟试验，脱圈压块以一定的速度向胎侧外表面施加压力，直到轮胎与轮辋脱开或达到国标规定的最小脱圈阻力值为止。汽车在转向时会图１轮胎有限元分析的二维网格模型产生离心力，当离心力超过胎圈与轮辋的着合力时，胎圈将脱离轮辋边缘向内产生横向位移，胎内采用的单元类型为二节点加强筋单元来描述气压迅速下降，严重威胁汽车的

4、安全行驶。轮胎中的骨架材料和钢丝圈、四节点三角形和四本研究工作以１８５／７０Ｒ１４半钢子午线轮胎节点四边形不可压缩的Ｈｅｒｒｍａｎｎ单元来描述橡为例，考虑了轮胎与轮辋的接触非线性边界条件，胶。生成的二维几何模型有４６８个单元和５４３个对轮胎在脱圈压块作用下的脱圈阻力试验进行了节点。轮胎与轮辋装配前的位置见图２。有限元分析，仿真结果与试验结果吻合较好。通过文中提供的方法可以对轮胎的脱圈阻力试验进行计算机仿真分析，得到最小脱圈阻力，并获得胎圈与轮辋接触界面上的相关信息。收稿日期：２０１２－１０－１８作者简介：

5、王伟（１９７１－），男，副教授，博士，主要从事轮胎和橡胶制品有限元分析及其应用研究工作。＊基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１０３０７７）；青图２轮辋装配前轮胎断面岛科技大学科研启动基金资助。·３４·弹性体第２３卷１．２三维有限元分析模型离），其为２６７ｍｍ（取值见表１），使轮胎与脱圈压在平面轴对称模型的基础上创建完整的三维块预先分离，然后通过设置在脱圈压头上的控制有限元模型。生成３Ｄ模型前在平面轴对称模型点施加位移来实现脱圈模拟（如图３所示），最后，中把轮辋移动到装配位置，然后利用ＡＸＩＴＯ３Ｄ得

6、到胎圈与轮辋脱圈分析时的最小外力，即可获［３］（轴对称到三维）功能将平面轴对称模型绕轮胎得最小脱圈阻力。的轴线旋转得到３Ｄ模型，并将轴对称分析的结３轮胎脱圈试验果转化为３Ｄ分析的初始条件，最后进行轮胎脱圈阻力试验仿真分析。三维轮胎模型共９７７５个轮胎脱圈阻力试验机由轮胎支承轴、脱圈压节点和８４２４个单元，轮胎轴心在原点，脱圈试验块等组成，如图４所示。实验中的标准铸铝脱圈三维有限元模型见图３。压块形状如图５所示。不同轮辋直径的轮胎试验时，轮胎支承轴中心到脱圈压块的水平距离ｐ的取值见表１。表１不同轮辋名义直径

7、轮胎试验时ｐ的大小轮辋直径／ｍｍ３０４．８３３０．２３５５．６３８１．０４０６．４４３１．８ｐ／ｍｍ２４１２５４２６７２７９２９２３０５图３脱圈试验三维有限元模型１．３材料模型根据轮胎多层帘线－橡胶复合材料分布的结构特点，对平面轴对称几何模型施加材料特性。［４－５］带束层和胎体层分别定义两层加强筋单元，带束层帘线角度为±６６°，胎体帘线０°，子口增强层定义一层加强筋，帘线角度６０°。轮胎中的帘线－橡胶复合材料视为正交各向［６－７］异性的材料，材料参数可根据相关文献及试验［８－９］给出。各种橡胶用Ｙｅｏｈ模

8、型来描述，材料参数用单轴拉伸试验得到。２边界条件及加载过程２．１轮胎与轮辋接触及充气过程由于轮辋和胎圈底部为过盈配合，将轮辋向外移动２０ｍｍ（见图２），使胎圈与轮辋间有一定间隙，通过轮辋向内逐步移动到达装配位置来模［１０－１２］拟装配过程。接触刚体定义为轮辋，接触变形体定义为轮胎。激活随动载荷选项，在轮胎内表面线性施加充气压力逐步达到２３０ｋＰａ（依据［２］４结果与讨论ＧＢ／Ｔ４５０４—１９９８）。２．２脱圈加载过程图６给出了