基于ANSYS14.0汽車充氣輪胎與地面接觸的有限元分析

王素粉

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 河南三門峽 472000)

0 引言

隨著汽車保有量及汽車種類的不斷增加，汽車擁有者對汽車的各種性能要求也有了很大的提高，而對汽車的性能除了在汽車制造后上進(jìn)行外，很多情況下是在汽車設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行分析的，本文利用ANSYS14.0對汽車充氣輪胎與地面接觸部分進(jìn)行有限元分析，首先在ANSYS中構(gòu)建輪胎實(shí)體模型和和輪胎內(nèi)空氣模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，創(chuàng)建流體靜壓單元，定義帶控制點(diǎn)的接觸對，主要為輪胎底面與路面的剛—柔接觸。施加載荷后求解，利用流體靜壓單元研究出輪胎在滾動(dòng)過程中輪胎內(nèi)空氣與輪胎之間的流體和固體之間的耦合變化情況[1]，得出不同時(shí)刻的位移圖和等效應(yīng)力云圖。找出輪胎本體最大等效應(yīng)力發(fā)生的地方。其分析結(jié)果對汽車輪胎、輪轂的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

1 輪胎模型建立及網(wǎng)格劃分

圖1 輪胎實(shí)體模型Fig.1 tire entity model

圖2 輪胎網(wǎng)格模型Fig.2 tire mesh model

2 輪胎剛-柔接觸對的建立

輪胎在運(yùn)動(dòng)的過程中模擬仿真需要建立兩個(gè)接觸對，一個(gè)是輪胎鋼圈與輪胎的剛-柔接觸對，第二個(gè)是輪胎底面與路面的剛-柔接觸對。其中，第一種輪胎鋼圈與輪胎的剛-柔接觸對為通過控制節(jié)點(diǎn)來控制的輪胎運(yùn)動(dòng)，在建立時(shí)設(shè)置單元屬性類型為5號(hào)TARGE170和4號(hào)CONTA174兩個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為5000和1026，節(jié)點(diǎn)類型為控制節(jié)點(diǎn)。通過選擇輪胎內(nèi)圈外側(cè)的線及依附于選擇線的節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行創(chuàng)建接觸單元。第二種接觸為輪胎底面與路面之間的剛-柔接觸[2]，此接觸對首先選取了8個(gè)節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)單元類型選擇為7號(hào)TARGE170，接觸單元類型為6號(hào)CONTA174,選擇輪胎底面和依附于輪胎底面的節(jié)點(diǎn)來創(chuàng)建接觸單元。創(chuàng)建好的接觸對如圖3所示。

3 動(dòng)力學(xué)分析與載荷定義

3.1 輪胎應(yīng)力-應(yīng)變模型構(gòu)建

圖3 接觸單元模型Fig.3 contact element model

輪胎為橡膠材料，因此可看做輪胎的應(yīng)力—應(yīng)變符合雙參數(shù)M00ney-Rivlin模型，其應(yīng)變能勢函數(shù)：

材料的初始切變模量：

μ=2(C10+C01)

材料的初始體積模量：

式中，d=(1-2v)/(C10+C01)。

計(jì)算中，C10=0.551584 MPa，C01=0.137896 MPa,d=0。

3.2 載荷定義

由于對輪胎進(jìn)行的是瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，因此首先要激活瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，進(jìn)行大變形設(shè)置，拾取節(jié)點(diǎn)后施加約束進(jìn)行約束類型選擇，定義載荷步，求解算法為瞬態(tài)求解(HHT)，幅值阻尼值設(shè)置為0.1，同時(shí)激活優(yōu)化非線性算法，實(shí)現(xiàn)非線性求解控制，為了實(shí)現(xiàn)輪胎和底面之間的接觸問題分析，采用基于接觸狀態(tài)的時(shí)間余冊旋向，并且實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存平行計(jì)算[3]。

4 輪胎動(dòng)態(tài)求解及結(jié)果分析

為了實(shí)現(xiàn)對輪胎的載荷步求解，本文共分為五個(gè)部分，分別對第一、第二、第三、第四、第五載荷進(jìn)行求解，其中，在對第一載荷進(jìn)行求解時(shí)，在時(shí)間積分控制面板上關(guān)閉瞬態(tài)效應(yīng)，施加Y方向的重力加速度為9810，同時(shí)施加輪胎內(nèi)空氣溫度為20，載荷加在方式為斜坡加載；在求解第二個(gè)載荷時(shí)，把輪胎氣壓提高到0.2482128 MPa，加載方式也是斜坡加載方式；在進(jìn)行第三個(gè)載荷求解時(shí)，首先將輪胎向下移動(dòng)50 mm，約束類型為UY；第四個(gè)載荷求解載荷加載方式為斜坡加載，最大子歩數(shù)為100，最小子步數(shù)為1；第五個(gè)載荷求解時(shí)要激活瞬態(tài)效應(yīng)，載荷加載方式為階躍加載，中間殘差準(zhǔn)則為1E6，以便于考慮較大的增量，計(jì)算時(shí)間為5。

圖4 1 s時(shí)刻的位移云圖Fig.4 displacement cloud diagram at 1 s

圖5 2 s時(shí)刻的輪胎內(nèi)空氣的y方向位移云圖Fig.5 y-direction displacement cloud diagram of air in the tire at 2 s

圖6 2 s時(shí)刻的輪胎等效應(yīng)力Fig.6 equivalent tire stress at 2 s

圖7 4 s時(shí)刻的輪胎底面的接觸壓力云圖Fig.7 contact pressure cloud diagram of tire bottom at 4 s

在以上設(shè)置完成后，進(jìn)行求解，求解得到的結(jié)果如圖4—圖7所示。圖4-圖7分別給出了輪胎不同時(shí)刻的位移云圖，由圖5可知充氣后輪胎的徑向膨脹了大約7 mm，由圖6可知輪胎本體中最大等效應(yīng)力發(fā)生在與輪轂接觸的地方，因此強(qiáng)化纖維的最大等效應(yīng)力發(fā)生處也是在與輪轂接觸的地方。由圖7可知，4 s時(shí)刻的輪胎最大接觸壓力為0.283 MPa。以上數(shù)據(jù)可以為輪胎的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

5 小結(jié)

通過在ANSYS14.0中建立輪胎與底面接觸模型，進(jìn)行接觸對設(shè)定及約束，利用流體靜壓單元研究出輪胎在滾動(dòng)過程中，首先在ANSYS中構(gòu)建輪胎實(shí)體模型和和輪胎內(nèi)空氣模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，創(chuàng)建流體靜壓單元，定義帶控制點(diǎn)的接觸對，主要為輪胎底面與路面的剛—柔接觸。施加載荷后求解，利用流體靜壓單元研究出輪胎在滾動(dòng)過程中輪胎內(nèi)空氣與輪胎之間的流體和固體之間的耦合變化情況，得出不同時(shí)刻的位移圖和等效應(yīng)力云圖。找出輪胎本體最大等效應(yīng)力發(fā)生的地方。其分析結(jié)果對汽車輪胎、輪轂的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。