扁平化对子午线轮胎力学性能影响的有限元分析

扁平化对子午线轮胎力学性能影响的有限元分析 扁平化对子午线轮胎力学性能影响的有限元分析 李兵，李子然，夏源明 (中国科学技术大学力学与机械系，中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，合肥230027) 摘要通过改变断面高和改变断面宽两种方式构建了不同扁平率的一系列轮胎模型。 采用ABAQI 7S,Standard软件对不同扁平率的轮胎进行了系统的研究。结果明:(1)通过 减小断面高实现轮胎的扁平化时，轮胎的力学性能在胎冠部和胎圈部的局部区域有所恶化， 三角胶内的受力和变形明显加剧;(2)通过修改胎冠部局部轮廓来增加轮胎断面宽时，带束层 帘线的受力分布趋向均匀，轮胎胎冠部橡胶结构危险区域的Mises应力和应变能密度均明显 减小，而胎侧部和胎圈部受到的影响较小。因此可以利用增大胎冠部宽度而保持轮胎其他部 位结构不变的简单方法实现子午线轮胎的扁平化。 关键词子午线轮胎扁平化有限元分析 0引言 轮胎轮廓扁平化是轮胎发展的趋势之一。装备低高宽比轮胎的车辆，行驶平顺性、操控稳定性较好[1]1。 Michelin、Bridgestone、Goodyear等技术领先的轮胎企业已经分别推出了多款30系列(轮胎断面高与断面宽 之比约为0(30)的子午线轮胎，但是出于商业利益的考虑，相关的新设计技术多处于保密状态;国内也研发 出一些低高宽比的子午线轮胎，但是相关的设计多依赖于经验和对国外优秀轮胎设计的模仿，缺少系统 深入的分析。 子午线轮胎的扁平化可通过增大断面宽、减小断面高和增大轮辋直径等途径实现。在传统的生产中，检 验新设计方案是否合理往往需要大量的测试;20世纪中期开始发展的轮廓形状理论将设计水平提高到半经 验阶段，如酒井秀男的平衡轮廓曲线方程[2]2，但该理论过于简化难以进行准确的定量分析，同时带束层压力 分担率如何确定仍没有统一的说法【3J。 20世纪70年代以来，有限元分析逐渐发展成为轮胎结构分析的主要手段，求解效率和求解精度不断提高。文献[4]对不同扁平率的子午线轮胎的受力和变形进行了有限元分析，指出轮胎的高宽比由80减小为70时，轮 胎的使用性能有所提高;但由于是针对实际产品轮胎进行分析，不同规格的轮胎的设计参数会有所不同，不便 于直接进行对比分析。文献[5]利用TYSYS轮胎专用有限元分析软件对相同断面设计不同轮辋直径的轮胎进 行了对比分析，证明了这种设计方法的可行性，但该文没有对有限元计算结果进行必要的考评。 本文以现有设计产品185,60R14半钢子午线轮胎为参考轮胎，通过改变断面高和断面宽两种途径构 不同高宽比的一系列轮胎模型，以考察该设计方案下轮廓扁平化对子午线轮胎力学性能的影响。 建 1分析模型及考评 1(1有限元分析模型 不同高宽比的轮胎模型的设计参数如表1所示，其中编号为202—111的轮胎模 型对应现有设计轮胎。 在改变断面高时，保持胎圈部结构不变;在改变断面宽时保持胎肩部、胎侧部、胎圈部结构不变，仅仅加宽了胎冠部。为了避免对有限元网格划分的影响，采用直接修改节点坐标的方法实现断面高和断面宽的变化。 除表中列出的设计参数以及相应改变的轮胎轮廓外，6组模型其余的设计参数均不变，采用的有限元分析方 案也完全相同。 ?875? 表1不同高宽比的6组轮胎模型 根据轮胎结构及边界条件的对称性，轮胎的装配和充气过程利用轴对称模型(图1(a))模拟，然后在 ABAQUS,Standard软件中使用*SYMMETRIC MODEL GENERATION[6]命令，由轴对称模型 维空间模型(图1(b))，用来模拟轮胎的静负荷状态。模型中考虑了胎面纵向花纹，忽略了横向花直接生成三 轮胎和轮辋之间、轮胎和地面之间的摩擦接触，摩擦系数均取为0(5，轮辋和地面均视为刚体。 纹;计及了 图1有限元模型示意图(模型202—111) 在计算中，胶料的超弹性本构模型选用Yeoh模型[3J，选用了文献[7]利用自动网格法测出的参数。轴 对称模型中共包含446个COAX4H[61单元(考虑周向剪切变形的、四节点、双线性、完全积分、常压力杂交 体轴对称单元)，三维空间模型共包含16948个六面体单元。帘线和钢丝圈对轮胎橡胶的加强作用使用实 re( bar单元模拟。 ”1(2有限元计算的考评 本文首先计算了185,60R14半钢子午线轮胎静负荷下的外缘尺寸的变化，并与实测结果进行了对比， 见图2和图3。计算出的下沉量和断面宽变化量与试验结果基本吻合。对图中各条曲线进行线性拟和(取 000,5 000 负荷为2 N的部分)，所得直线的斜率即为轮胎的径向刚度和侧向刚度，结果列于表2中;有限元 计算结果与测试结果相比，轮胎径向刚度和侧向刚度的误差分别为3(1,和1(4,。 7000 7000 6000 6000 5 ooO5000 4000 4000Z ?3 000 藿3000 20002000 l 000 l 000 O 0 5 10 15 020 25下沉量 断面宽变化量 图2负荷一下沉量曲线 图3负荷一断面宽变化量曲线 ?876? 总体看来，本文给出的有限元计算模型是有效的。 表2轮胎径向刚度、侧向刚度计算结果和测试结果比较(模型202一U1) 2计算结果和对比分析 利用前面给出的子午线轮胎有限元分析模型，针对静负荷状态，本文分别考察了不同扁平率的6组轮胎 模型中橡胶结构和骨架结构的受力分布特征，并进行了对比分析。 2(1骨架结构受力分布 图4为静负荷状态下6组轮胎模型接地端子午面内胎体帘线、第一带束层帘线和第二带束层帘线的受 力分布曲线。 50 15 40芒 妻?o 30 R 锹 霆s 萎20 蒸。 篓10 牵一5 O 一l。 -10一15 O 20 40 60 80 O50lOO150200250 真实距离,mm 真实距离,mm 卯 柏 ? 如 m N，R瞰18I餐联牟 O m O lO 20 30 40 50 60 70 80真实距离,mm 图4静负荷状态骨架材料受力分布 根据计算结果，可以看出: 随着断面高的减小，胎体帘线受力略有减小，带束层帘线受力略有增大;总体上 而言，改变断面高对骨架 材料受力分布的影响较小。 改变断面宽对胎冠部骨架材料的受力分布影响较大，而对胎侧部和胎圈部骨架 材料的影响相对较小。 随着断面宽的增大，带束层帘线的受力情况明显改善:带束层帘线中部的受力状态由受压变为受拉，带束层 帘线拉力最大值明显降低，与原设计模型相比，在模型253—111中带束层帘线拉力最大值分别降低了 23(1,(第一带束层)和20(5,(第二带束层)。 ( 2(2橡胶结构受力分布 kPa，负 图5和图6为静负荷状态轮胎接地端子午面内橡胶结构应变能密度分布云图，充气压力为180 000 荷为3 N。与充气状态相比，在静负荷状态轮胎橡胶结构的受力情况明显恶化，并且出现了几个新的危 险区域，如胎冠部的区域D、E以及胎圈部的区域F、G。 图5静负荷状态胎肩部橡胶结构应变能密度分布 图6静负荷状态胎圈部橡胶结构应变能密度分布 根据图5、图6的计算结果，可以看出:在静负荷状态，随着断面高的减小，胎肩部橡胶内危险区域的 应力和应变能密度最大值均有所增加;位于三角胶内的危险区域F和位于胎侧胶下端部的危险区域 Mises 内橡胶结构的受力变形情况严重恶化，这可能是由于较短的胎侧没有起到足够的缓冲作用，使前述区域II G 所受的弯曲变形更明显。 在静负荷状态，通过改变胎冠部局部轮廓增大断面宽时，轮胎胎肩部橡胶结构的受力情况明显改善。第 二带束层端部危险区域A内的Mises应力和应变能密度最大值均减小，与原设计模型相比，在模型253—111 中危险区域A内的Mises应力和应变能密度最大值分别降低了15(1,和29(4,;胎侧部和胎圈部橡胶结构 受到的影响则相对较小。 3结论 本文以现有设计产品185,60R14半钢子午线轮胎为参考轮胎，利用心uS,Standard软件，通过直接 修改节点坐标来实现断面高和断面宽变化的方法构建了不同高宽比的一系列轮胎模型，针对静负荷状态考 察了该设计方案下轮廓扁平化对子午线轮胎力学性能的影响。 结果表明，通过改变断面宽和改变断面高两种方式实现轮胎的扁平化，将会得到不同的效果: 1)随着断面高的减小，轮胎的力学性能在胎冠部和胎圈部的局部区域有所恶化，三角胶内的受力和变 形明显加剧。因此，通过降低断面高来实现子午线轮胎的扁平化时，不能简单地改变断面高度，轮胎局部结 构须相应地加以改变。 2)随着断面宽的增加，轮胎在胎冠部的力学性能有所改善，第二带束层端部橡胶结构内Mises应力和 应变能密度最大值明显减小，带束层帘线受力趋向平均，带束层帘线拉力的最大值明显降低。因此可以利用 ?878? 增大胎冠部宽度而保持轮胎其他部位结构不变的简单方法实现子午线轮胎的扁平化。 参考文献 [1]庄继德(汽车轮胎学(北京:北京理工大学出版社(1996( [2]俞淇，周锋，丁剑平(充气轮胎性能与结 构(广州:华南理工出版社(1998( [3]李炜(子午线轮胎结构有限元分析和设计原理的若干问题研 究([D](合肥:中国科学技术大学，2003( of X on M(Effects the and deformations of radial [4]WU G Z，HE ratio stres8es tires(Tire sci(&Tech(aspect paK鲫-lger nol，1992，20(2):74—82( [5]包静萍，赵剑铭(不同轮辋直径轮胎采用相同断面设计的有限元对比分 User’s Manual(Version 析(轮胎工业，2003(11):653—657( [6] 6(5( [7]夏勇，李炜，夏春ABAQI玛Analysis 光，等(自动网格法在轮胎橡胶力学行为测试中的应用(实验力学，2002，17(4):412—418( Finite Element for Effects of Ratio on Pcr TireAnalysis Aspect “Bing，Li Ziran，Xia Yuanming of Mechanical Behavior and of Materials (CAS Key Laboratory Design of Mechanicsand Mechanical and Science Department of Engineeriag，University of Technology China，Hefei 230027) ferent tire’Ssectional and Abstract finite element models with dif— ，tire aspect widthheight By changing ratios are constructed and under research with FI,A results systematic ABAQUS,Standard(The point out mechanical the conclusions:(1)When sectional to increase the flat the ratio，the altering height is deteriorated in area with the de( andcrown performance apex accompanying formation and stress local at tire crown to in— increasing greatly((2)矾en modifying configuration of c“捆se the sectional width(the the tensionforce belt cords decreases and the de( on peak greatly formation the middle of belt cords from tension state(Both the Mises at to stresschanges compress and strain at the area of the rubber structure in crown de— crease tire energy original dangerous density addition，such in sectional width affects littleto the deformation on tire side and tion obviously(In situa( change is an and recommended method to make the tirebe flater bead(Hence，it easy the width of tire crownwithout other of the tire( by increasing changing any part words Radial tire ratio Finite dement Key Aspect analysis ?879?