SAE-C2009C185汽车轮胎包覆刚性的仿真分析

汽车轮胎包覆刚性的仿真分析
应卓凡(1)　周涛(2)
1.华南理工大学
2.广州市华南橡胶轮胎有限公司
【摘要】　基于MSC.Marc非线性有限元分析软件,考虑轮胎与轮辋接触,使用Rebar单元模型模拟橡胶⁃帘线复合材料,建立175/65R14型子午线轮胎的二维轴对称模型和三维有限元模型㊂首先,使用轴对称模型分析轮辋安装和充气过程;然后,利用先进的轴对称到三维的分析方法,在三维模型中仿真分析轮胎的垂向加载和凸起抬升的过程,得到轮胎的包覆刚度特性;并与试验对比,验证了仿真方法的正确性㊂
【关键词】　子午线轮胎　包覆刚度　MSC.Marc　有限元
Simulation Analysis of Automobile Tire’s Enveloping
Stiffness Characteristic
Ying Zhuofan1,Zhou Tao2
1.South China University of Technology
2.South China Tire&Rubber Co.,Ltd.
Abstract:Considering the contact between tire and rim,the axisymmetric model and3D finite element model of175/65R14radi⁃cal tire are constructed based on MSC.Marc software.Rebar element model is used to simulate composite material properties.Firstly, making use of the axisymmetric model,the process of rim fitting and tire inflation is simulated.Secondly,with the help of the advanced method of Axisymmetric to3D,the simulation analysis of load application and protrusion lifting is completed in3D model.The tire’s enveloping stiffness characteristic will be obtained.Finally the simulation result is compared with the experimental result and it is obvious that the model reliability is fairly good.
Key words:radical tire　enveloping stiffness　MSC.Marc　finite element
引 言
轮胎是汽车唯一的接地部件,汽车的许多重要性能都与轮胎的力学特性有关,特别是操纵稳定性㊁平顺性等㊂为了预测㊁优化轮胎的力学性能,必须建立有效的轮胎模型㊂传统的轮胎模型精度较低,目前有限元法已成为轮胎结构分析的有力工具㊂
在汽车行驶过程中,来自路面的冲击是车辆振动的主要来源㊂因此,轮胎的包络特性受到汽车设计者的密切关注,它反映了轮胎对小于其印迹的障碍物的包容能力㊂目前为止,已有不少关于轮胎包络特性的研究,并在轮胎设计和汽车系统振动分析中获得广泛应用㊂但是,使用有限元技术更加准确地仿真分析包络特性的研究却很少㊂
本研究将基于著名的MSC.Marc非线性有限元分析软件,利用Rebar单元模型模拟橡胶⁃帘线复合材料,采用Yeoh模型模拟超弹性橡胶材料㊂首先建立二维轴对称模型中,仿真分析轮胎的轮辋安装和充气过程,再运用先进的Axisymmetric to3D技术扩展成三维模型,模拟轮胎在一定静负荷条件下,受到局部凸起负荷的作用,得到轮胎的包覆刚度特性㊂并通过与试验结果的比较,验证仿真分析的有效性㊂
1　轮胎的包覆刚度特性
1.1　包覆刚性
轮胎的包覆刚度特性是指在规定的胎压和垂向载荷条件下,轮胎接地处的凸起荷重与凸起位移的关系㊂它反映了轮胎把路面上的凸起包进去的能力(即包络特性),与汽车乘坐舒适性密切相关㊂尤其在路面条件不太好的情况下,良好的轮胎包覆刚性对降低汽车振动尤为重要㊂
1.2　包覆刚性的试验测定与评价方法
轮胎的刚度特性一般可通过轮胎五刚试验机测定㊂根据接地方式的不同,其试验方法有平面接地和凸起接地两种,如图1所示㊂包覆刚性的试验方法属于凸起接地㊂测试前调整轮胎胎压至规定气压,在室温下静放24h以后,再装配到刚度试验机上㊂给轮胎施加垂向静载荷,以10000N/min的加载速度,加载至该气压下轮胎最大负荷的90%,加载完毕持压1min㊂在轮胎与试验台接触处施加向上凸起的负荷,凸起装置升起的速率为20mm/min㊂记录测试曲线,即凸起荷重与凸起高度的关系图㊂
图1　轮胎刚性试验分类
轮胎包覆刚性曲线是呈非线性的,如图2所示㊂在评价轮胎包覆刚度时,通常在刚性曲线上取Z1(凸起高度3mm)和Z2(凸起高度9mm)两处数据点,然后由包覆刚度K=
(F 2-F 1)/(Z 2-Z 1)计算得出㊂
图2　凸起荷重 凸起高度的关系图
2　轮胎有限元模型的建立
2.1　轮胎的材料模型
轮胎结构的材料基本上可分为两类,即纯橡胶材料和橡
胶⁃帘线复合材料㊂
2.1.1　橡胶材料的性质及模型的选用
橡胶材料属超弹性材料,具有近似体积不可压缩性和非
线性本构关系㊂橡胶材料的本构模型有很多种,有些模型在拟合小变形的试验数据时效果较好,而另一些模型在拟合大变形时效果较好,说明不同的本构模型对橡胶材料力学特性的表征效果是不同的㊂在轮胎加载过程中,其橡胶部件的最大应变一般小于50%,属于较大应变㊂
为了较好地描述橡胶材料的力学特性,本论文选用精度和稳定性都较好的Yeoh 模型㊂Yeoh 根据炭黑填充胶料的试验数据提出方程:
W =C 10(I 1-3)+C 20(I 1-3)2+C 30(I 1-3)3
式中　W 硫化胶的应变能密度函数;I 1 主伸长率第一不变量;
C 10,C 20和C 30 材料常数㊂
根据试验测得的橡胶单轴拉伸数据,换算出应变与应力
的关系,再通过MSC.Marc 拟合出Yeoh 模型的参数,用于
仿真计算㊂
2.1.2　橡胶⁃帘线复合材料模型的建立
子午线轮胎中的带束㊁冠带㊁胎体和胎圈均属于复合材料,具有各向异性的性质,其材料特性较难模拟㊂本研究采用在橡胶基体单元中定义Rebar 单元的方法建立模型,其中
基体单元模拟橡胶的物理性能,Rebar 单元模拟钢丝帘线的物理性能,这样可大大方便模型建立㊂
图3　加强筋层在基体单元中的位置 3D Rebar 单元有4个积分点,其加强筋层在基体单元中的位置如图3所示,定义Rebar 单元时需要定义加强筋的材料㊁加强筋层的参考面或边(单元的面或边)㊁加强筋方向的参考轴㊁加强筋偏离参考轴的角度㊁单根加强筋的横截面积和单位长度加强筋的根数㊂对于不同问题,需要选择不同的加强筋单元,图4所示为加强筋方向的定义㊂
图4　加强筋方向的定义
2.2　轮胎二维轴对称有限元模型
本研究基于175/65R14型子午线轮胎,运用AutoCAD
绘制轮胎断面的二维几何模型,再利用Hypermesh 软件导入几何信息,进行2D 网格划分,如图5所示㊂然后把网格模型导入Marc 的前处理器Mentat 中,在Mentat 中定义轮胎的材料特性,Rebar 单元以及边界条件㊂为了节省计算资源,可以在二维轴对称模型中计算轮辋安装和充气两个工况㊂先给轮胎两侧胎圈部分沿轴向(x 轴)一定的位移,使之进入轮辋内侧;再在内衬层的内表面施加均布载荷,使两侧的胎圈向外膨胀,并与轮辋接触㊂图6为充气工况完成后的轮胎变形图㊂
图5　
轮胎的二维轴对称模型
图6　充气完成后的轮胎变形图
2.3　轮胎三维有限元模型
在Mentat中,用Axisymmetric to3D的功能将二维模型扩展成三维模型㊂该功能可以将轴对称计算的结果传输到三维模型,作为其初始条件㊂同时,边界条件㊁单元属性(如:Rebar单元中加强筋的定义)也会自动转换到三维条件下㊂为提高精度,轮胎底部要细划,特别是与凸起接触的部分,必须划分得很密,否则会导致计算结果不准确,如图7所示㊂
图7　轮胎三维有限元模型
图8　轮胎径向变形图
对照包覆刚性试验,本研究在轮胎三维有限元模型中依
次定义了两个载荷工况,分别为:
(1)施加垂向载荷工况
固定路面,给轮胎的轮辋部分垂直向下的力,使轮胎产
生径向变形,如图8所示㊂
(2)施加凸起位移工况
保持轮辋垂向力大小不变,让凸起从路面下升起,使轮
胎底部产生包覆变形㊂其中,凸起用宽10mm的平板模拟㊂
图9为轮胎的包覆变形图㊂
图9　轮胎包覆变形图
3　轮胎包覆刚度计算与结果分析
包络特性是轮胎的一个重要特性㊂它是指轮胎在行驶过程中包容来自路面的凹凸不平或较大的障碍物,而只传递较小的力至轮胎轴的能力㊂轮胎的包覆刚度是评价包络特性的重要指标㊂
轮胎的材料特性,接地面形状㊁充气压力以及垂向载荷等对包覆刚度均有明显的影响㊂本文仿真分析了胎压0.2MPa,垂向载荷2705N条件下的包覆刚性㊂图10表示凸起荷重与凸起高度之间的关系,图中的实线为试验值,虚线为仿真计算值㊂从曲线图可知,仿真结果与试验结果基本一致
㊂图10　轮胎包覆刚性曲线图
图中标出了两个测试点(对应凸起高度分别为3mm和9mm),其对应的凸起荷重如表1所示㊂由此可算出包覆刚度的仿真值为204.3N/mm,而试验值为215.7N/mm,误差仅为5.29%㊂由此说明利用有限元技术仿真分析包覆刚性的有效性㊂
表1　仿真与试验数据的比较
凸起高度/mm39凸起荷重(试验)/N15802874
凸起荷重(仿真)/N163028564　结论
本文提出一种基于有限元理论的轮胎包覆刚度特性的仿真分析方法,用于更准确㊁快速地评价轮胎包络特性㊂ 通过轮辋安装㊁充气的二维轴对称分析,到三维模型下的垂向加载㊁凸起抬升四个工况的有限元分析,本文仿真研究了轮胎的负荷特性和包络特性,计算了一定胎压㊁一定垂直载荷下的轮胎包覆刚度㊂由于包覆刚度仿真值与试验值相差5%左右,符合工程要求,说明利用有限元仿真分析法代替试验评价轮胎的包覆刚性是切实可行的㊂
参考文献
[1]　郭孔辉,刘青,丁国峰.轮胎包容特性分析及其在汽
车振动系统建模中的应用[J].汽车工程,1999,21
(2):65⁃71.
[2]　安宏伟,管迪华,范成建.轮胎静包容特性的试验研
究[J].汽车工程,2004,26(1):57⁃60. [3]　Guan Dihua,Fan Chengjian.Tire Modeling for Vertical
Properties Including Enveloping Properties Using Experi⁃
mental Model Parameters[J].Joumal of Vehicle System
Dynamics,2003,40(6):419⁃433.
[4]　Msc.Software Corporation.MSC.Marc(Volume B)[Z],
Element Library,2005.
[5]　Msc.Software Corporation.MSC.Marc(Volume C)[Z],
Program Input,2005.
[6]　Yeoh O H.Characterization of elastic properties of carbon
black filled rubber vulcanizates[J].Rubber Chemistry and
Technology,1990,63(5):792⁃795.
[7]　应世洲,陈方,王国林.基于Rebar单元的载重子午
线轮胎模型建立及验证[J].轮胎工业,2007.27(8):
462⁃465.。