王 惠_HyperMesh在子午线轮胎三维非线性有限元分析的应用

HyperMesh在子午线轮胎三维非线性 有限元分析中的应用

王惠 丁峻宏 韩轩

上海超级计算中心

HyperMesh 在子午线轮胎三维非线性

有限元分析中的应用

HyperMesh Application in Radial Tire 3D Non-Linear Finite Element Analysis

王惠 丁峻宏 韩轩

（上海超级计算中心 上海 201203）

摘要：在HyperMesh中建立子午线轮胎的三维非线性有限元模型，用ABAQUS软件的非线性 分析技术对子午线轮胎进行了有限元分析。考虑了轮胎的几何非线性，材料非线性，橡胶-帘线等复合材料的各向异性以及轮胎与地面的接触非线性，，给出了轮胎与地面接触过程中轮胎的变形情况，接触区域形状以及带束层应力分布情况。对子午线轮胎的设计和改进具有一定的指导意义。

关键字：HyperMesh，子午线轮胎，非线性，有限元分析

Abstract: A 3D non-linear finite element model of radial tire with contact with pavement is established using HyperMesh, radial tire’s finite element analysis is carried out using ABAQUS. With considerations of tire’s geometry non-linearity, material non-linearity, anisotropy of rubber-cord composite material and nonlinear contact of tire-pavement, deformation of the tire and tire belt layer’s effective stress are calculated and contact region contour are also described which gives helpful reference to radial tire structural design and improvement.

Key word: HyperMesh, radial tire, non-linear, finite element analysis

1引言

轮胎是汽车和路面间传递力和力矩作用的唯一部件，具有优良的变形恢复能力和地面贴附能力，可以分散汽车对路面的压应力，降低汽车运动的能量损失，缓和行驶冲击，改善载荷条件等。轮胎的力学特征在在车辆动力学特性的研究中具有极其重要的地位。

随着轮胎力学和计算机技术的发展，有限元分析方法已经广泛应用于轮胎研究和设计中。轮胎有限元分析的关键是轮胎力学模型的建立，包括轮胎材料、变形、接触条件和结构的准确模拟。在建立轮胎有限元结构分析模型时，要考虑轮胎工作时存在的几何、材料和边界条件的非线性等。

子午线轮胎是由橡胶与橡胶基复合材料组成的柔性层合结构。本文在HyperMesh中建立子午线轮胎的三维非线性有限元模型，用ABAQUS软件的非线性分析技术对子午线轮胎进行了有限元分析。考虑了子午轮胎材料的非线性和不可压缩性，带束层-橡胶复合材料的各向异性，轮胎大变形导致的几何非线性以及轮胎和路面接触的非线性边界条件，建立子午线轮胎与地面接触的三维非线性有限元计算模型，得出了轮胎各部分的变形和应力情况以及接地印痕分布情况，为进一步研究子午线轮胎动态接触分析和结构优化设计奠定了基础。

2 子午线轮胎模型的建立

2.1几何模型简化

轮胎由橡胶和帘布层等多种材料压制而成，具有多层结构，其断面几何形状异常复杂。为建立合理的适合运算的有限元模型，需要对轮胎结构进行适当的简化。经过简化后的子午线轮胎主要包括胎面胶，胎侧胶，胎体，带束层，三角胶，钢丝圈等，如图1所示。

图1 简化的轮胎几何模型

2.2 网格划分

网格划分对模型的求解成果与否有着决定性的影响，网格的密度决定了有限元模型的规模，从而决定运算时间和精度。网格质量的好坏对求解的收敛性起决定性的影响。为了提高网格划分质量，对一些部位过小的尖角进行合理的网格优化。在与地面接触的轮胎部分，网格适当加密，所得网格全为结构化六面体网格。轮胎有限元模型如下。由于轮胎的对称性，计算模型采用1/2模型计算，共计单元21840个，节点28779个。

图2 轮胎网格模型

2.3 材料模型

轮胎结构的基本材料有三种，橡胶，纤维和钢丝，可以分为两类，即单一材料和复合材料。单一材料是把基本材料直接用作结构材料。本文中对胎面胶，胎侧胶，三角胶采用不可压缩各向同性材料模型模拟，橡胶材料采用模拟不可压缩超弹性材料的MOONY-RIVILIN材料模型，该模型根据应变不变量写出应变能密度函数，其方程为：

式中，a10，a01为材料常数；J为初始位置与最后位置的体积比；λi为材料在i向上的拉伸率，I1,I2分别为应变第一、第二不变量。材料参数的选取参考了文献[3][4]中的数据。

复合材料是由两种以上的基本材料组合成的结构材料，本文中，由帘线和橡胶构成的胎体帘布以及由钢丝和橡胶构成的钢丝带束层等，具有正交各向异性的性质。其中带束层是一种两层帘线交叉排列的复合材料结构，本文中，其与胎冠中心线的夹角为18°，如图3所示。

图3 18°带束层的轮胎相交示意

2.4 边界条件和载荷工况

根据相对运动的原理，选择轮胎胎体与轮毂接触的部分节点，限制其在六个方向上的自由度，在轮胎的对称面施加对称面约束，在轮胎的内胎面施加均布载荷，模拟所需气压值。与整个轮胎材料相比，路面可视为刚体。车重载荷通过路面传递到轮胎上，同时考虑轮胎与地面接触的静态摩擦。本文中设计充气压力为0.18Mpa，车重载荷为车身重量为1265kg。为了得到较为精确的结果，保证计算模型非线性的收敛，子午线轮胎的充气过程以及与地面接触的过程分为若干载荷步进行模拟。

3 计算结果

3.1 轮胎的接地印记

图4显示了轮胎与地面接触后的接地印记。从图中可以看出，接地面区呈对称分布，接触中心没发生偏移，随着刚性目标面的向上压入，产生支反力的节点在不断的增加，接地印记也随之扩张。支反力最大值并不是出现在与地面接触的中心位置，这是因为在轮胎充气和载荷的共同作用下，轮胎接触正中心相对周围有更明显的纵向位移，使得轮胎接触面向两端挤压，造成支反力在轮胎与地面接触中心两侧较为集中。