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1、第3期 RichardSturt1有限元分析在轮胎设计中的应用 143有限元分析在轮胎设计中的应用RichardSturt(OveArup&Partners,英国) 摘要:计算机仿真为轮胎设计带来了革命性的发展。有限元分析新技术,如LS2DYNA力学分析软件在轮胎设计中的应用,可以用虚拟样胎代替实物测试,缩短了新产品的上市周期并可大幅度减少开发费用,同时可为汽车生产厂提供详细的数据,从而满足整车设计工程日益提高的要求。然而直到最近,也不能完全像实际试验那样来仿真轮胎试验。轮胎模型的困难包括
2、:轮胎结构的复杂性、轮胎内部的大变形、经常变化的接触条件和为了追踪轮胎在试验面上转动几圈所需要的大计算量。有限元节点的高级性能(如LS2DYNA)和现代计算机的强大计算能力相结合提供了理想地模拟轮胎试验的可能性。中图分类号:TQ33611文献标识码:B文章编号:100628171(2001)0320143203 轮胎模型对于车辆设计开发人员非常有意ners机器上用LS2DYNA软件进行的。这是一义,今天的车辆开发周期已经很短,不允许再用个非线性有限元软件,它可以用于大位移、大应试验方法发现和解决问题,因此只有计算机辅变和复杂接触条件下
3、的分析,例如汽车碰撞和助工程(CAE)才能满足不断提高的设计目标的金属加工过程的模拟。该软件有一个多达90要求。诸如在碰撞、噪声、振动疲劳等领域中,多种材料的材料库,适合于金属、橡胶、塑料、泡车辆必须作为一个有机的整体来考虑,而不是沫材料、复合材料甚至是流体的分析。它明确将车体、悬挂系统、发动机等孤立起来看待。这的时间一致性程序架构避免了进行模型详细分就促进了能够对整个车辆系统性能进行评价的析时由于单元数目巨大而需要求解大矩阵的逆计算机虚拟现实模型的发展。汽车零件供应商矩阵问题。正面临着为整体系统模型提供其产品的有限元模型的压力。目前,
4、汽车厂家通常是自己建立3 模型结构轮胎有限元模型,但是轮胎制造厂也开始被要一个载重轮胎的模型图包括13000个单求提供其轮胎的有限元模型,并且这种趋势正元。胎面和胎侧采用转型单元,胎体采用壳单在增加。本文举例说明了轮胎模型的应用。元。每个壳单元都是由代表内衬层、帘布层、过渡胶层、缓冲层、胎圈包布层等的10～15层所1 滚动轮胎模型组成,每层都定义了刚度和转角。这种“层合轮胎制造商利用滚动轮胎的有限元模型来壳”的优点是可以减少单元的数目,从而缩短程评价和提高他们的设计水平。滚动轮胎的有限序运行的时间;缺点是引入了在断面厚度方向元模型可以用
5、来评价轮胎在不同载荷下的响上随厚度而分布的应变的假设。应、断面变形、侧偏角和操作性能,还可以计算研究人员正在创建更加详细的模型,模型轮胎在障碍物上滚动时的应力和应变,对轮胎中每一个刚性层(帘线层、垫胶层等)都单独地的耐久性进行预报并提供解决方案,并可为整划分成一层壳单元,而两者之间的橡胶层划分车性能的优化提供数据。成砖型单元。这种方法也正应用于胎冠的划分。经过这种进一步地细化后,模型的单元数2 软件选择目可达到100000个。每一个进步都可以提高本文中提到的模拟是在OveArup&Part2结果的精确度,但却延长了对模型的求解时间。
6、 轮 胎 工 业 1442001年第21卷路面采用刚性的平面来模拟。在本例中,角时对滑动刚度的预测不是很准确;当侧偏角摩擦因数用一个简单的库仑因数代替。为30°时,试验曲线上有一个斜率的变化,分析中也没能预测出来。然而,在如此短的时间内4 载荷和边界条件取得这样的结果还是很令人鼓舞的。可以相载荷和边界条件的定义如下:信,预测值与试验值之间的一致性可以通过对Ó轮胎垂直放置(没有侧偏和滑动),轮胎轮胎模型进行细化和更好地模拟轮胎与地面之和路面之间有一个小的间隙。间的摩擦加以提高。
7、Ó施加内部气压和外部载荷,得到静态的结果。6 整体车辆系统模型Ó施加向前的运动,速度从零逐渐加速到汽车制造厂正越来越多地利用有限元模型规定速度。来预测整车的碰撞和耐久性能。这与汽车制造Ó施加滑动角度、侧偏角度和路面上的障厂并没有直接的关系,但汽车制造厂商正在逐碍物约束。步要求其配件厂提供有关配件的有限元模型,在轮胎的前进方向上有一个高度为25从而可以将它们直接引入整车模型中。能够提mm、角度为30°的障碍物。另一个例子是轮胎供在整车系统模型中工作良好的轮胎模型,将以恒定的滑动角度前进并逐渐提高它的侧偏成为一个重要的具有高附加值的服务,这
8、是轮角。胎制造厂所期望的。因此,了解一些轮胎模型的用法是必要的。5 结果举例近几年来,在碰撞性能的试验中,早已将轮我们研究了在接地面处的横向剪切应力,胎性能考虑到了整车系统中。在与可变形障碍接地面的倾角为2
