基于ABAQUS的子午线轮胎径向刚度建模与仿真

基于ABAQUS的子午线轮胎径向刚度建模与仿真
李婷;白岩立
【摘要】本文根据11.00R20子午线轮胎的实际结构,采用ABAQUS有限元软件,考虑轮胎结构的几何非线性、橡胶材料的超弹性及轮胎与路面接触的非线性边界条件进行三维整体有限元建模,并对轮胎荷载下沉量进行试验验证,仿真结果与试验结果具有良好的一致性.分析了11.00R20子午线轮胎不同胎压下荷载-下沉量关系,并采用最小二乘法拟合得出径向刚度函数模型.
【期刊名称】《南方农机》
【年(卷),期】2016(047)001
【总页数】1页(P51)
【关键词】ABAQUS;子午线轮胎;径向刚度;有限元;建模
【作者】李婷;白岩立
【作者单位】榆林职业技术学院,陕西榆林 719000;神华神东电力郭家湾电厂,陕西榆林 719000
【正文语种】中文
【中图分类】U463.341
轮胎是车辆的必要组成部分，轮胎刚度作为轮胎最重要的力学性能，是整车设计、分析不可缺少的参数，一直以来倍受汽车设计者的关注。

轮胎的径向刚度又称为静负荷特性，是轮胎最重要的性能评价之一，是指在规定的轮辋和给定充气压力条件下，轮胎径向荷载与径向变形的比值。

其轮胎刚度特性反
映了轮胎所能承受负荷的能力，并与轮胎的使用寿命和车辆性能的匹配密切相关。

载重能力要求轮胎有足够的垂直刚度，以减小轮胎径向变形，减小行使阻力[1]。

本文应用非线性有限元软件ABAQUS，以11.00R20子午线轮胎为研究对象，建
立轮胎-路面三维整体有限元模型进行子午线轮胎径向刚度仿真分析。

在三维模型中，轮胎的橡胶部分采用C3D8H单元模拟，其力学性能采用YEOH
模型描述[2]；橡胶-帘线复合材料采用REBAR（加强筋）单元模拟；路面采用
C3D8R单元模拟，且假设路面各层为均质、连续、各向同性的弹性材料[3]；考虑路面与胎面之间的摩擦作用。

2.1 模型验证
为验证模型的有效性，本文将轮胎在1250kPa充气压力下轮胎充气断面宽、充气外直径的有限元分析计算所得到的数据与参考文献所得轮胎几何尺寸测试数据[4]
进行比较，如表1所示得出有限元仿真与实测数据误差为：充气外直径0.0573%，充气断面宽0.0029%。

将轮胎在胎压为930kPa下进行下沉量有限元分析，并和
参考文献所得轮胎下沉量测试数据[4]进行比较，得出最大误差为4.847%，最小误差为0.8%。

由此可见有限元仿真所得结果和试验结果有很好的一致性。

2.2 轮胎径向挠度的计算
本文依据轮胎使用情况对实际存在的各种胎压以及荷载，在所建立的轮胎-路面整
体有限元模型中进行静态加载有限元计算，并得出其荷载下沉量，并对有限元计算值进行数据处理，得出轮胎荷载与下沉量关系。

由此可以得出，当胎压一定时，随着轮胎荷载的增加，其下沉量增大。

且当下沉量小于20mm时，轮胎在加载过程中存在硬化现象，当下沉量大于20mm以后荷载与下沉量基本成线性关系，和文献中试验的结论是一致的。

2.3 轮胎径向刚度的计算
轮胎的垂向刚度计算公式为：
式中：W——垂向荷载；
△H——轮胎的垂向挠度。

在一定胎压下，当轮胎下沉量大于20mm后荷载与下沉量基本呈线性关系。

因此可知当胎压不变时，轮胎的径向刚度是定值，即荷载对轮胎径向刚度无影响。

根据轮胎径向刚度计算公式可得出不同胎压下，轮胎径向刚度值，如表2所示。

采用最小二乘法对表2所得数据进行拟合得出轮胎径向刚度与胎压关系为：
式中：x—胎压（mPa）；y—径向刚度（kN/mm）。

由上述关系式可知，随着胎压的逐渐增加其径向刚度增大，且径向刚度与胎压之间存在明显的线性关系。

1）对11.00R20子午线轮胎建立了三维有限元模型，且仿真结果与试验结果有很好的一致性，验证了建模方法的正确性及仿真的可靠性。

2）随着胎压的逐渐增加其径向刚度在逐渐增大，且与胎压之间存在显著线性关系即y = 0.9806x + 0.3113 ，R2= 1，x—胎压（mPa），y—径向刚度
（kN/mm）。

3）为进行车辆动力学研究者或其他研究提供参考。

【相关文献】
[1] 许喆.多工况下子午线轮胎非线性有限元分析[D].青岛:青岛科技大学，2009.
[2] 陈芳.基于rebar单元的载重子午胎有限元分析[D].镇江:江苏大学，2007.
[3] 龚治.正交异性钢桥面铺装车辆荷载图式研究[D].南京:东南大学，2006.
[4] 景立新.全钢载重子午线轮胎特性有限元分析及验证[D].长春:吉林大学，2007.。