基于ANSYS的汽車輪胎有限元分析

劉野，廉哲滿

（延邊大學(xué) 工學(xué)院 機(jī)械工程系，吉林 延吉 133002）

0 引言

輪胎作為汽車的一個重要部件，它的主要功能是將驅(qū)動力、制動力、轉(zhuǎn)向力傳遞給地面，支撐負(fù)荷以及和汽車懸掛共同作用來緩和汽車行駛時所帶來的沖擊影響，從而保證汽車具有良好的舒適性和平穩(wěn)性［1-2］，因此汽車各種性能的好壞與輪胎的性能有直接關(guān)系。分析其變形及其性能，可為輪胎設(shè)計與改進(jìn)提供有價值的參考依據(jù)。

1 輪胎的建模

輪胎的建模方法有很多種，本文主要是利用三維造型軟件CATIA 對輪胎進(jìn)行建模，輪胎建模的基本步驟如下：

1）在Sketcher（草圖）上繪制輪胎的外部輪廓，然后根據(jù)數(shù)據(jù)編輯輪胎的尺寸。Sketcher 繪制是3D 設(shè)計的重要手段之一，它擁有與二維軟件功能相近的平面輪廓設(shè)計功能，同時可將輪廓轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體。通過該功能模塊可以設(shè)計較復(fù)雜的平面輪廓線［3］，該功能非常適用于繪制由多段曲線組合而成的輪胎內(nèi)外輪廓。

2）完成輪胎草圖后，通過旋轉(zhuǎn)體命令建立輪胎的立體模型，建立凹槽，通過圓弧陣列凹槽，完成輪轂繪制。

3）通過曲面造型功能，在Sketcher 的輪胎輪廓的旋轉(zhuǎn)曲面上直接繪制花紋。在輪胎花紋的繪制過程中，依據(jù)設(shè)計的多方位要求并與靈活的后參數(shù)化功能相結(jié)合，使得輪胎輪廓的曲線參數(shù)、花紋溝寬、溝深和角度等相關(guān)參數(shù)可隨時根據(jù)要求進(jìn)行更改。

4）運(yùn)用鏡像命令，復(fù)制1/2 輪胎，完成輪胎的建模。

CATIA 中創(chuàng)建完成的輪胎模型如圖1 所示。

圖1 輪胎模型

2 輪胎的有限元分析

2.1 導(dǎo)入模型并選擇單元類型

圖2 ANSYS 中的輪胎模型

將上述在CATIA 中建模好的輪胎進(jìn)行裝配，通過ANSYS 與CATIA 接口將模型導(dǎo)入到ANSYS 中，以面代體，然后定義單元類型，導(dǎo)入ANSYS 中的輪胎傳動模型如圖2 所示。

2.2 定義材料屬性

實(shí)體模型只代表物體的幾何模型，還需要定義材料屬性。本文采用ANSYS 所提供的SOLID45 體單元和SOLID46 層單元，使用直接定義單元的方法對輪胎整體的三維有限元模型材料屬性進(jìn)行定義。對于各向異性材料的部位，采用SOLID46 層單元模擬，從而很好地解決了胎體內(nèi)部因材料多、尺寸小等而引起的模擬困難問題，進(jìn)而使輪胎內(nèi)部的實(shí)際構(gòu)成得到較真實(shí)的再現(xiàn)。胎體等使用復(fù)合材料的部位采用SOLID46 三維層單元模擬。橡膠部分采用SOLIDl85 單元，胎圈采用SOLID45 單元［4］。

2.3 劃分網(wǎng)格并施加約束和載荷

圖3 ANSYS 中的輪胎的網(wǎng)格劃分

圖4 輪胎充氣壓力狀態(tài)下的等效應(yīng)力圖

圖5 輪胎充氣壓力狀態(tài)下的等效應(yīng)變圖

定義完成各部分單元類型后就可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文采用自由網(wǎng)格的劃分方式。胎面部受力情況、變形情況比較復(fù)雜，自由網(wǎng)格劃分對實(shí)體形狀沒有特定要求，適用于所有模型。本文主要分析輪胎在充氣壓力下的變形，查看其應(yīng)力圖，計算不需要太精確，做簡單的網(wǎng)格劃分，可以縮短計算時間。因此，選用自由網(wǎng)格劃分，施加規(guī)定的充氣壓力730 kPa 情況來計算，在實(shí)際加載過程中，對胎圈處與輪輞接觸面進(jìn)行全面約束，即固定輪胎的中心軸［5］。然后向輪胎的內(nèi)胎面施加均布載荷，即輸入所需求的氣壓值。因?yàn)檩喬サ男螤钤诔錃膺^程中會發(fā)生顯著的變化，所以輪胎的充氣壓力與輪胎的變形之間有著非線性的關(guān)系。由于這種非線性關(guān)系的存在，為了使得到的分析結(jié)果更加精確，在求解的過程中需要把氣壓分成若干小步，然后逐步進(jìn)行加載，從而保證將壓力載荷直接加到單元相應(yīng)的面上（輪胎內(nèi)表面）［6］，使得每處的壓力均垂直于該面。

2.4 有限元分析結(jié)果圖

1）由輪胎在標(biāo)準(zhǔn)氣壓730 kPa 充氣狀態(tài)下VonMsies應(yīng)力分布情況可知，從胎冠到胎側(cè)中部的應(yīng)力基本呈增大趨勢，而從胎側(cè)中部到接近胎圈的部位，應(yīng)力又減回到最小值，如圖4 所示。

2）由輪胎在標(biāo)準(zhǔn)氣壓730 kPa 充氣狀態(tài)下應(yīng)變分布情況可知，應(yīng)變最大處在帶束層邊緣與胎肩墊膠的交界處，其次為胎側(cè)區(qū)域。胎側(cè)為比較柔軟的簾布層，剛性較小，在接觸過程中胎側(cè)向外側(cè)膨脹，其尺寸有所增加且中部鼓出最為明顯，胎側(cè)向胎肩逐漸過渡的部位，變形逐漸減?。?］，可見簾布層對輪胎的整體變形情況影響較大，如圖5 所示。

3 結(jié)語

本文首先利用CATIA 軟件繪制輪胎的三維模型，然后利用ANSYS 軟件進(jìn)行有限元分析，在標(biāo)準(zhǔn)充氣氣壓下，對輪胎的應(yīng)力、應(yīng)變情況進(jìn)行研究分析。研究結(jié)果表明，在充氣狀況下，輪胎胎側(cè)向外膨脹，胎冠略向上移，變化小于胎側(cè)，與輪胎實(shí)際充氣變形相比，變形情況基本符合實(shí)際情況。

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