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1、第29卷第1期北京化工大学学报Vol.29,No.12002年JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGY2002斜交轮胎充气状态下三维有限元分析1112马改陵 崔文勇 徐 鸿 赵素合(北京化工大学11机械工程学院;21材料科学与工程学院,北京 100029)摘 要:采用ANSYS有限元程序中的三维体单元、层单元建立了9.0022016PR折线花纹载重斜交轮胎的三维有限元模型;分析了轮胎在充气状态下的整体变形、应力、应变以及帘布层层间切应力分布状况,找出了若干斜交轮胎产生肩空与侧脱的原因,从而验证了本模
2、型的正确性以及有限元分析方法在斜交轮胎中应用的可行性。关键词:斜交轮胎;有限元模型;层间切应力中图分类号:O242.21引 言1 斜交轮胎的三维有限元模型在早期斜交轮胎工业的发展过程中,经典的结111 斜交轮胎的主要结构特点构力学理论如网络理论、薄膜理论、层合理论、薄壳斜交轮胎的典型结构特点可以通过文中具体分理论等,曾起到重要作用。但由于轮胎结构与材料析的9.0022016PR折线花纹载重斜交轮胎体现出的复杂性,使得这些理论在应用中存在很大的局限来。这种轮胎具有22222结构的6层2100dtex/2胎性,尤其是不能分析胎体帘布及缓冲帘布的层间切体帘
3、布,宽、窄两层930dtex/2缓冲帘布,裁断角度应力,而层间切应力是斜交轮胎产生脱层破坏的最2915°,三方四块胎面胶(胎面由三种配方的橡胶材主要原因之一。随着计算机软、硬件的飞速发展,应料组成,分四块复合挤出),双钢丝圈结构等。用三维有限元方法的现代轮胎结构设计理论得到了112 三维轮胎模型的建立迅速发展并在子午线轮胎结构设计中得以广泛应建立三维轮胎模型的具体过程(包括单元类型用。但是三维有限元方法在斜交轮胎中的应用却发的选择以及几何模型的建立等)参见文献[2],并在展得很慢,目前只有G.Karami等人建立二维有限此基础上有所改进:①帘布层复合
4、材料的力学性能元模型分析了斜交轮胎帘线角度的改变对应力分布参数主要参考植村2山肋经验公式来确定[3];②轮胎的影响,分析结果与实验值有比较大的差异。由于断面下胎侧部位到胎圈处均实现了帘布层材料的连目前我国的公路条件普遍较差及轮胎生产的实际情续过度,这样即可真实地反映出斜交轮胎的实际结构。况,载重斜交轮胎在我国的轮胎市场上仍然将在一由于本模型的几何条件及充气载荷均为周期对[1]段不短的时期内占主导地位,同时,长时间超载称,故只需取一个节距进行计算即可满足精度要求,运行的苛刻使用条件又给轮胎生产厂家提出了尽快这已通过与整胎计算结果对比得到了验证。实际计解
5、决肩空、侧脱以提高载重斜交轮胎内在质量的课算模型如图1所示。题。本文的主要目的是将在子午线轮胎分析中行之有效的三维有限元分析技术引入到斜交轮胎的分析中来,同时本文对载重斜交轮胎的三维有限元分析也具有实际的工程意义。收稿日期:2001206212基金项目:山西双喜轮胎工业股份有限公司资助项目图1 单节距轮胎三维有限元模型图第一作者:女,1969年生,硕士生Fig.132DFEmodelforasinglepitchofbiastire第1期 马改陵等:斜交轮胎充气状态下三维有限元分析·61·113 边界条件及载荷21212 切应
6、力的分布 切应力SXZ、SXY、SYZ的(1)在两个断面上施加周向对称约束,即在自定物理意义:在自定义的柱坐标系下,原点在轮胎中义柱坐标系下限制该断面上各节点的周向(Y向)心,X轴表示径向,Y轴表示轮胎的周向旋转方向,自由度;Z轴表示轴向。在轮胎断面分析中,下胎侧及胎肩(2)胎圈与轮辋接触部分简化为固定约束;处的帘布层方向与X2Z平面的45°方向接近;SXY在(3)本文只研究斜交轮胎在充气状态下的情况。胎侧部位近似处于帘布平面上;SYZ在胎冠处近似在内轮廓面上施加充气压力0187MPa;考虑大变形处于帘布平面上。几何非线性问题,加载采用自动时间子步,
7、首步为从切应力分布图4～6中,可得到该斜交轮胎切1/30时间步。应力分布情况如下:①SXZ集中于胎肩与下胎侧,其趋势是由胎冠中心为零向胎肩方向逐渐增大至最大2 斜交轮胎充气状态的三维有限元分析值,然后又向胎侧逐渐减小,在胎侧中部减小为零,211 变形分析继续向下则应力值向反方向增加并在反包端点周围如图2所示,虚框为轮胎充气变形前尺寸,深色达到最大值;②第一个帘布筒承受相对较大的切应实体部分为变形后尺寸。从图可见,该轮胎模型在力SXZ;③轮胎断面中,上、下、左、右的切应力SXZ充气变形之后,胎侧向外膨胀,胎冠基本不变,胎肩大小基本对称,而方向相反;④切
8、应力SXY在下胎侧略有下降,与轮胎实际充气变形结果较为相符。第一层反包端点处有最大值,并且在上胎侧的宽缓冲端
