胎面花纹对轮胎性能影响的仿真研究

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1、万方数据轮胎工业2012年第32卷胎面花纹对轮胎性能影响的仿真研究赵鹏1’2，丁玉梅1’2，阎惠1’2，杨卫民1’2。(1．北京化工大学机电工程学院，北京100029；2．轮胎设计与制造工艺国家工程实验室，北京100029)摘要：以ABAQUS有限元软件为平台，建立光面轮胎、周向沟槽轮胎和花纹轮胎的三维有限元模型，分析3种轮胎不同工况下的应力分布。结果表明：静负荷下3种轮胎等效应力分布基本相同，带束层端部受力最大，花纹轮胎整体应力水平最高，光面轮胎最低，但光面轮胎第1带束层应力较高；在静负荷、稳态滚动和侧偏滚动状态下，光面轮胎高应力区均在胎肩部位，

2、而周向沟槽轮胎和花纹轮胎在静负荷和稳态滚动状态下高应力区主要分布在胎肩和胎面中心部位，侧偏滚动状态下在中心沟槽的边缘。关键词：轮胎；花纹；静负荷；稳态滚动；侧偏滚动；有限元分析中图分类号：TQ336．1；0241．82文献标志码：B文章编号：1006—8171(2012)11-0656—05轮胎是汽车的重要部件之一，介于车辆与路面之间，是车辆上受力的支撑体和各种力的传递部件，其性能的优劣直接影响车辆的使用性能n]。轮胎胎面花纹直接与地面接触，地面对轮胎的作用力通过胎面花纹进行传递，同时胎面花纹对轮胎的噪声、湿滑性能和抓着力有重要影响，因此胎面花纹是

3、影响轮胎性能的关键因素[2]。轮胎模型和材料的复杂性导致其在有限元仿真计算时容易不收敛，考虑胎面花纹时，不收敛问题更为突出，因此传统的轮胎三维有限元分析往往忽略胎面花纹或只考虑周向花纹沟槽。这种模型的简化常使轮胎性能的预测与实际结果相差很大。随着有限元技术的发展和计算机性能的提高，人们对轮胎性能预测的准确性要求越来越高，胎面花纹对轮胎性能的影响也越来越受到研究人员的重视。本工作基于ABAQUS／Standard软件，分别建立了光面轮胎、周向沟槽轮胎和花纹轮胎的三维有限元模型，并从静负荷、稳态滚动和侧偏滚动等方面分析胎面花纹对子午线轮胎性能的影响。1

4、轮胎有限元模型1．1橡胶一帘线模型，“橡胶是一种不可压缩或近似不可压缩的超弹作者简介：赵鹏(1987一)，男，山东淄博人，北京化工大学在读硕士研究生，主要从事轮胎力学与噪声分析研究。*通信联系人性材料，其应力一应变关系表现出明显的非线性，使得描述橡胶力学行为的本构模型十分复杂。本研究采用Yeoh模型[3]，其应变能密度函数(W)描述为W—C10(j1—3)+Czo(Jl一3)2+C30(J1—3)3式中，J，=A；+A；+Ai，为主伸长比的第1不变量，A，(i一1，2，3)为3个主伸长比；C。。，C。。和C。。为单轴拉伸或压缩、平面拉伸和等轴拉伸等

5、简单试验测得的数据拟和而成的材料常数。相对于轮胎中的橡胶材料，各种帘线所占的体积比很小，却分担了轮胎的大部分负荷，橡胶一帘线复合材料是各向异性材料，直接采用Rebar单元进行模拟是一种有效方法[4]。1．2胎面花纹模型胎面花纹部分通过三维绘图软件Pro／E进行建模[5]，将建立的模型导入ABAOUS中进行网格划分，一般网格越小，计算精度越高，但网格不是越小越好，因为网格越小，计算成本越高，耗时也越长。本工作胎面花纹模型共5863个单元，如图1所示。1．3轮胎模型根据195／65R15轮胎的实际结构，考虑轮胎中胎面胶、胎侧胶、三角胶等材料，对帘线、胎

6、体和钢丝圈采用Rebar单元，通过Embed功能嵌入到胎体中。在ABAQUS中建立轴对称断面模型，利用SymmetricModelGeneration功能，生成轮万方数据第11期赵鹏等．胎面花纹对轮胎性能影响的仿真研究’，㈠．-．I川je』一j’／tj／／jii'。4j’71厂，，厂，j二?，i，·H：’。l㈠’f『『附鲥√(a)}JJ始模+c!{鑫蘑㈣霸嚣碧霪器蠹蜃黪l一鼷羲躺避国豳黻戮醚黼善事i拳黪虢锹溯糯潞鞭熬穰嘲黼黧勰躺黼獭糍臻瞵美嚣瓣i：辩尊赣臻㈥茹诵醐瀚繇黼粼黝满瓣。，雾毯霹镳缮辫g鬟藕糍凿黼翥蓄茹篓喜基童筮签磨落溯(b)网格模型图1部

7、分胎面花纹模型网格划分胎三维空间模型。将花纹部分与胎体部分使用绑定约束组合在一起，对接地部分进行网格细分，如图2所示。轮胎的充气压力为0．25MPa，且轮胎变形过程中该压力始终垂直作用于内表面。为了简化计算，轮辋和路面设为解析刚体，轮胎与地面和轮胎与轮轴的接触摩擦系数分别设为0．8和0．3，轮胎所受静负荷为4kN。(a)光面轮胎(b)周向沟槽轮胎(c)花纹轮胎图2轮胎三维有限元模型2模拟结果分析与讨论2．1轮胎静负荷下等效应力对比分析在完成轮胎装配、充气工况下，对轮胎施加4kN的负荷。图3所示为轮胎接地断面的应力分布。由图3可见，3种轮胎在胎侧和胎

8、圈部位的应力分布基本相同，由于轮胎与轮辋强烈的相互作用，高应力区分布在胎圈与轮辋边缘的接触部位和胎踵部位。对比3种轮胎的胎