轮胎模具底座有限元模拟及疲劳分析
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第1期
胡海明等．轮胎模具底座有限元模拟及疲劳分析
65
轮胎模具底座有限元模拟及疲劳分析
胡海明，王 芹*
（青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061）
摘要：应用Abaqus有限元模拟软件对硫化工况下的轮胎模具底座进行热力耦合和力学性能分析，应用Fe-Safe软件
对 不 同 厚 度 和 滑 板 结 构 的 底 座 进 行 疲 劳 损 伤 和 使 用 寿 命 计 算 。 结 果 表 明 ：轮 胎 模 具 底 座 的 最 大 应 力 出 现 在 U 形 螺 栓 槽
1 轮胎模具底座的受力分析 轮 胎 硫 化 时，模 具 底 座 主 要 承 受 硫 化 机 合 模
力、成型胶囊压力以及硫化机下热板的支撑力[2]， 如图1所示。
F1为 硫 化 机 下 热 板 对 模 具 底 座 的 支 撑 力 （kN）。
R1
F3
R0
F2
F1
图1 轮胎模具底座受力模型
作者简介：胡海明（1964—），男，山东临沂人，青岛科技大学教 授，硕士，主要从事模具计算机辅助设计的教学与科研工作。
140 mm
从 图3可 以 看 出：底 座 的 最 大 应 力 为137. 5 MPa，主要出现在与硫化机下热板连接的U形螺栓 槽处；底座的最大变形为0. 03 mm左右，主要分布 在与底座U形螺栓槽成45°的外围圆周上。除U形 螺栓槽外，底座应力均较小，且与下侧板接触处应 力约为5 MPa。
3 不同结构的轮胎模具底座的力学性能 3. 1 滑板形状和底座厚度对底座的影响
66
橡 胶 工 业
2020年第67卷
1 440
ˀऄए໎
ଋᝎܪ
48
ˀʽΞଋᝎܪ
图2 轮胎模具底座三维模型图
座三维模型进行热力耦合分析。先进行传热模拟 以 确 定 模 型 的 温 度 场，再 将 传 热 模 拟 所 得 的 结 果 及温度场导入到下一步的耦合分析中。
设置底座材料参数：材料 Q235碳素结构钢， 厚度 48 mm，弹性模量 2. 11×105 MPa，泊松比 0. 286，热膨胀系数 8. 7×10-6 ℃，密度 7. 86 Mg·m-3，热导率 43 W·（m·K）-1，屈服强度 235 MPa，加热时间 3 300 s。
对底座圆周方向均匀分布的4个阶梯U形螺栓 槽 表 面 做 铰 支 约 束，槽 做 固 定 约 束 且 做 细 化 网 格 处理；底座下表面与硫化机下热板接触，约束此表 面垂直方向的位移[5]；在模具的上表面与下侧板接 触处、上表面与底座滑板接触处均施加均布载荷； 在 Abaqus 软 件 中 创 建 工 作，得 到 底 座 的 应 力 和 位 移云图，如图3所示。
F1 支 撑 两 部 分 力，一 是二是二次成型胶囊压力施加于下侧 板传递给底座的力F3。
由 受 力 分 析 可 知，轮 胎 模 具 底 座 受 力 最 大 处
就是底座滑板,底座滑板的作用是模具开合时减小
弓形座运动的摩擦因数，使模具开合顺畅。
2 轮胎模具底座的有限元模拟 2. 1 底座模型建立
轮 胎 模 具 底 座 滑 板 通 过 螺 栓 与 底 座 连 接， 1188轮胎模具底座滑板常规形状为矩形和梯形[6]， 但与弓形座下表面不完全吻合，增大其面积，设计 为扇形，可使其与弓形座下表面完全吻合，底座滑 板形状如图4所示。
底座滑板分别为矩形、梯形和扇形，相应底座厚 度分别为40，48和55 mm，底座的应力大小如表1所示。
处，最大位移出现在与U形螺栓槽成45°的圆周边缘；底座应力与底座厚度和滑板面积成反比；下侧板连接形式对底座应
力和位移影响不大；底座最先破坏的部位为U形螺栓槽附近，增大底座和U形槽厚度可以延长其使用寿命。
关键词：轮胎模具；底座；有限元模拟；力学性能；疲劳寿命 中图分类号：TQ330. 4＋1；O241. 82 文章编号：1000-890X（2020）01-0065-04 文献标志码：A DOI：10. 12136/j. issn. 1000-890X. 2020. 01. 0065
*通信联系人（1506903796@qq. com）
F2
=
F4 2m
F3 = r (P1 - P0) (R12 - R02) 式中，F2为单个底座滑板所承受的力（kN），F3为成 型胶囊压力（kN），F4为硫化机的合模力（kN），m为 弓 形 座 个 数，P0为 大 气 压（0. 1 MPa），P1为 硫 化 内 压（硫化载重轮胎时为2. 8 MPa，硫化轿车轮胎时 为2. 3 MPa[3）] ，R0为 下 侧 板 与 下 钢 圈 接 触 处 半 径 （mm），R1为下侧板与花纹块接触处半径（mm）。
118 mm
S，Mises >MPa@ ˄Avg：85%˅
+1.375e+02 +1.269e+02 +1.163e+02 +1.058e+02 +9.519e+01 +8.461e+01 +7.404e+01 +6.347e01 +5.290e+01 +4.232e+01 +3.175e+01 +2.118e01 +1.060e01 +2.891e02
(a)应力云图
U，Magnitude +3.012e02 +2.780e02 +2.549e02 +2.317e02 +2.085e02 +1.853e02 +1.622e02 +1.390e02 +1.158e02 +9.267e03 +6.951e03 +4.634e0 +2.317e03 +0.000e00
在UG软 件 中 建 立 精 确 的 轮 胎 模 具 底 座 三 维 几何模型。以1188轮胎模具为例（硫化机合模力为 4 220 kN[4]，底座的外直径为1 440 mm，厚度为48 mm），底座滑板形状为梯形，底座滑板数为20。底 座三维模型如图2所示。 2. 2 有限元模拟
用有限元模拟分析软件Abaqus对轮胎模具底
OSID开放科学标识码 (扫码与作者交流)
轮 胎 模 具 底 座 固 定 在 硫 化 机 的 下 热 板 上，在 硫化过程中主要起精确定位和支撑其他部件的作 用，下表面由硫化机下热板加热[1]。开合模时，在 中 套 和 导 向 条 的 作 用 下，花 纹 块 和 弓 形 座 沿 底 座 滑 板 径 向 滑 开 和 闭 合。 因 此，底 座 的 变 形 和 磨 损 对轮胎的硫化质量有重要影响。
胡海明等．轮胎模具底座有限元模拟及疲劳分析
65
轮胎模具底座有限元模拟及疲劳分析
胡海明，王 芹*
（青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061）
摘要：应用Abaqus有限元模拟软件对硫化工况下的轮胎模具底座进行热力耦合和力学性能分析，应用Fe-Safe软件
对 不 同 厚 度 和 滑 板 结 构 的 底 座 进 行 疲 劳 损 伤 和 使 用 寿 命 计 算 。 结 果 表 明 ：轮 胎 模 具 底 座 的 最 大 应 力 出 现 在 U 形 螺 栓 槽
1 轮胎模具底座的受力分析 轮 胎 硫 化 时，模 具 底 座 主 要 承 受 硫 化 机 合 模
力、成型胶囊压力以及硫化机下热板的支撑力[2]， 如图1所示。
F1为 硫 化 机 下 热 板 对 模 具 底 座 的 支 撑 力 （kN）。
R1
F3
R0
F2
F1
图1 轮胎模具底座受力模型
作者简介：胡海明（1964—），男，山东临沂人，青岛科技大学教 授，硕士，主要从事模具计算机辅助设计的教学与科研工作。
140 mm
从 图3可 以 看 出：底 座 的 最 大 应 力 为137. 5 MPa，主要出现在与硫化机下热板连接的U形螺栓 槽处；底座的最大变形为0. 03 mm左右，主要分布 在与底座U形螺栓槽成45°的外围圆周上。除U形 螺栓槽外，底座应力均较小，且与下侧板接触处应 力约为5 MPa。
3 不同结构的轮胎模具底座的力学性能 3. 1 滑板形状和底座厚度对底座的影响
66
橡 胶 工 业
2020年第67卷
1 440
ˀऄए໎
ଋᝎܪ
48
ˀʽΞଋᝎܪ
图2 轮胎模具底座三维模型图
座三维模型进行热力耦合分析。先进行传热模拟 以 确 定 模 型 的 温 度 场，再 将 传 热 模 拟 所 得 的 结 果 及温度场导入到下一步的耦合分析中。
设置底座材料参数：材料 Q235碳素结构钢， 厚度 48 mm，弹性模量 2. 11×105 MPa，泊松比 0. 286，热膨胀系数 8. 7×10-6 ℃，密度 7. 86 Mg·m-3，热导率 43 W·（m·K）-1，屈服强度 235 MPa，加热时间 3 300 s。
对底座圆周方向均匀分布的4个阶梯U形螺栓 槽 表 面 做 铰 支 约 束，槽 做 固 定 约 束 且 做 细 化 网 格 处理；底座下表面与硫化机下热板接触，约束此表 面垂直方向的位移[5]；在模具的上表面与下侧板接 触处、上表面与底座滑板接触处均施加均布载荷； 在 Abaqus 软 件 中 创 建 工 作，得 到 底 座 的 应 力 和 位 移云图，如图3所示。
F1 支 撑 两 部 分 力，一 是二是二次成型胶囊压力施加于下侧 板传递给底座的力F3。
由 受 力 分 析 可 知，轮 胎 模 具 底 座 受 力 最 大 处
就是底座滑板,底座滑板的作用是模具开合时减小
弓形座运动的摩擦因数，使模具开合顺畅。
2 轮胎模具底座的有限元模拟 2. 1 底座模型建立
轮 胎 模 具 底 座 滑 板 通 过 螺 栓 与 底 座 连 接， 1188轮胎模具底座滑板常规形状为矩形和梯形[6]， 但与弓形座下表面不完全吻合，增大其面积，设计 为扇形，可使其与弓形座下表面完全吻合，底座滑 板形状如图4所示。
底座滑板分别为矩形、梯形和扇形，相应底座厚 度分别为40，48和55 mm，底座的应力大小如表1所示。
处，最大位移出现在与U形螺栓槽成45°的圆周边缘；底座应力与底座厚度和滑板面积成反比；下侧板连接形式对底座应
力和位移影响不大；底座最先破坏的部位为U形螺栓槽附近，增大底座和U形槽厚度可以延长其使用寿命。
关键词：轮胎模具；底座；有限元模拟；力学性能；疲劳寿命 中图分类号：TQ330. 4＋1；O241. 82 文章编号：1000-890X（2020）01-0065-04 文献标志码：A DOI：10. 12136/j. issn. 1000-890X. 2020. 01. 0065
*通信联系人（1506903796@qq. com）
F2
=
F4 2m
F3 = r (P1 - P0) (R12 - R02) 式中，F2为单个底座滑板所承受的力（kN），F3为成 型胶囊压力（kN），F4为硫化机的合模力（kN），m为 弓 形 座 个 数，P0为 大 气 压（0. 1 MPa），P1为 硫 化 内 压（硫化载重轮胎时为2. 8 MPa，硫化轿车轮胎时 为2. 3 MPa[3）] ，R0为 下 侧 板 与 下 钢 圈 接 触 处 半 径 （mm），R1为下侧板与花纹块接触处半径（mm）。
118 mm
S，Mises >MPa@ ˄Avg：85%˅
+1.375e+02 +1.269e+02 +1.163e+02 +1.058e+02 +9.519e+01 +8.461e+01 +7.404e+01 +6.347e01 +5.290e+01 +4.232e+01 +3.175e+01 +2.118e01 +1.060e01 +2.891e02
(a)应力云图
U，Magnitude +3.012e02 +2.780e02 +2.549e02 +2.317e02 +2.085e02 +1.853e02 +1.622e02 +1.390e02 +1.158e02 +9.267e03 +6.951e03 +4.634e0 +2.317e03 +0.000e00
在UG软 件 中 建 立 精 确 的 轮 胎 模 具 底 座 三 维 几何模型。以1188轮胎模具为例（硫化机合模力为 4 220 kN[4]，底座的外直径为1 440 mm，厚度为48 mm），底座滑板形状为梯形，底座滑板数为20。底 座三维模型如图2所示。 2. 2 有限元模拟
用有限元模拟分析软件Abaqus对轮胎模具底
OSID开放科学标识码 (扫码与作者交流)
轮 胎 模 具 底 座 固 定 在 硫 化 机 的 下 热 板 上，在 硫化过程中主要起精确定位和支撑其他部件的作 用，下表面由硫化机下热板加热[1]。开合模时，在 中 套 和 导 向 条 的 作 用 下，花 纹 块 和 弓 形 座 沿 底 座 滑 板 径 向 滑 开 和 闭 合。 因 此，底 座 的 变 形 和 磨 损 对轮胎的硫化质量有重要影响。