基于ABAQUS的子午線輪胎有限元分析

馮聰利 小松

摘要：輪胎是橡膠工業生產中重要的產品之一，汽車在行駛過程中，與地面接觸的唯一的執行部件就是輪胎。輪胎的各項技術參數對汽車的使用性能有著重要影響與決定作用。隨著當代社會車輛對輪胎的安全性能和使用壽命要求越來越高，因此研究輪胎對汽車燃油的動力性、制動性、操縱的穩定性、經濟性等各項指標很有意義。本文以ABAQUS軟件為載體，以12.OOR20 18PR載重子午線輪胎為研究對象，模擬輪胎在靜載狀態下的應變量和下沉量，為后續研究輪胎在不同速度、載荷、輪胎氣壓及地面摩擦系數的工況下應力場和溫度場的變化規律奠定一定理論基礎。

關鍵詞：載重子午線輪胎;有限元分析;靜載狀態

1 引言

輪胎作為汽車的重要支撐部件，影響著汽車的舒適性和安全性，隨著對高速性和越野性要求的不斷增強，對輪胎的要求也更高[1]。子午線輪胎的帶束層、簾布層是主要受力部件，承受氣壓、載荷并且緩沖輪胎受到的外部沖擊[2]。輪胎在使用過程中力學性能會逐漸降低，一直以來，國內外科研機構及輪胎生產制造廠家都把輪胎失效機理的研究與如何降低成本提高輪胎的使用壽命作為重點問題進行不斷的研究探討[3]。文獻[4]主要是對子午線輪胎胎面磨損性能進行有限元分析，以及在ABS制動狀態下對胎面花紋磨損進行研究。文獻[5]研究了不同工況參數對輪胎磨損性能的影響，并對輪胎的簾線參數和膠料性能進行優化，得出了輪胎在不同工況下的磨損特征。文獻[6]考慮輪胎材料、幾何及其與地面接觸的非線性，借助ABAQUS軟件建立了子午線輪胎滾動瞬態碰撞的三維有限元模型，并與輪胎徑向剛度試驗結果對比驗證了模型的有效性。因此利用有限元分析軟件解決輪胎問題的可靠性和準確性受到人們的廣泛關注，同時也為開發、設計制造出更加安全、穩定、舒適的輪胎提供了有力的工具和重要的參數。

2 子午線輪胎概述

2.1 子午線輪胎基本結構

子午線輪胎的結構、材料的組成都非常復雜。一般情況下，輪胎是由橡膠及簾線組成的復合體，主要由胎冠、胎側、胎圈組成其斷面結構，如圖1 （a）所示。胎面、帶束層、簾布層和胎肩墊膠等組成為共胎冠;胎側膠、簾布層為胎側部分且位于外胎側部，主要作用是保護簾布層不受到損壞;鋼絲圈、鋼絲圈填充膠、簾布層和胎圈鋼絲加強層等構成其胎圈部分，其主要作用是使輪胎貼緊在輪輞上，防止輪胎與輪輞脫離，并承擔輪胎與輪輞之間的相互作用力。如圖1 （b）所示：

2.2子午線輪胎破壞類型

輪胎在行駛過程中由于受到地面摩擦、周期性載荷、以及橡膠骨架之間摩擦的共同作用，會產生變形和滯后損失現象，從而使胎面溫度升高根據熱傳遞原理會導致整個輪胎溫度升高進而造成輪胎結構的破壞而使其綜合力學性能下降。

子午線輪胎破壞形式有機械破壞、熱破壞、疲勞破壞三種形式。這三種破壞形式關系密切，機理復雜。

2.3子午線輪胎損耗機理分析

熱破壞是輪胎破壞的最主要的形式之一，輪胎在行駛過程中，產生熱源的形式主要有兩種：一種是輪胎行駛時與地面之間的摩擦作用產生的熱量;另一種熱源來自周期性的應力應變引起粘彈材料的滯后損失。

影響輪胎磨損的主要因素包括：輪胎結構;胎體骨架材料;輪胎氣壓;車輛的行駛速度;路面的影響。

3 子午線輪胎材料參數確定及有限元模型建立

利用大型非線性有限元分析軟件ABAQUS建立礦用12. OOR2018PR全鋼載重子午線輪胎斷面輪廓圖、二維軸對稱有限元模型的建立、邊界條件的確定以及仿真參數的設置，準確的建立輪胎網格模型，使得仿真結果精確，進而為后續研究不同工況下輪胎的應力場及溫度場的分析奠定一定的基礎。

3.1 子午線輪胎材料參數確定

子午線輪胎實物如圖2 （a）所示，輪胎截面結構如圖2 （b）所示，本文研究對象全鋼載重子午線輪胎12. OOR20

18PR主要技術參數如表l所示。

3.2子午線輪胎幾何模型建立

本文運用機械設計軟件ANSYS建立輪胎截面、輪胎分割線、加強筋曲線、輪胎分割區域，保存為“stp”通用格式，然后導入到ABAQUS之后的進行零部件的建立，建立的輪胎截面、加強筋截面、上下輪輞零件如圖3所示，其中輪胎的截面類型應當為（ deformable），基本單元為殼單元（shell）;加強筋曲線類型可變形（deformable），基本單元為線單元輪輞類型解析剛體（ Analyticalrigid），同時在輪輞上設置2個參考點;之后對建立的零件進行裝配，裝配后的輪胎截面模型如圖4所示。

在對礦用12. OOR2018PR全鋼載重子午線輪胎建模時為了減小仿真時間、提高計算結果的收斂性以及效率，對輪胎的二維模型進行了簡化：1）只考慮了輪胎的周向花紋，忽略了輪胎的徑向花紋;2）地面和輪輞在仿真過程中設置為剛性材料;3）輪胎的幾何結構視為軸對稱模型;4）忽略輪胎表面的磨損指示標記、凹陷的外形輪廓以及規格標識等部位：5）簡化胎肩部位的輪廓曲線。

3.3網格劃分及網格模型建立

分別定義輪胎、加強筋等網格，并設置相應的網格類型和網格大小，其中輪胎網格尺寸大小設置為8 （Approximate global size），Element Library選為Standard， Family選擇Axisymmetric Stress， Geometric Order選擇Linear模式，同時選擇三角形（Tri）和四邊形（Quad）雜交網格類型;加強筋網格尺寸大小控制為5，曲率控制為0.1，網格類型為Surf ace，Geometric Order選擇Linear模式;輪輞設定為剛性，不劃分網格，劃分后的二維網格如圖5所示，輪胎輪輞劃分后的有限單元體模型如圖6所示;

由于輪胎截面具有對稱性，利用tSYMMETRICMODELGENERATION. REVOLVE， TRANSPORT， ELEMENT-3000，NODE=3000”命令在ABAQUS的全局柱坐標系下對節點進行增量復制，節點增量為3000，同時建立路面的仿真模型，并在與地面接觸區域適當加密節點，利用160.，5，，C40.，20，，G160.，5，，C命令完成網格加密處理，操作完成后得到三維網格模型如圖7所示。

3.4邊界條件的施加

首先在ABAQUS中的interaction模塊分別設定輪輞和輪胎之間的表面為相互作用面，如圖8所示，之后在interactionProperty Manager中并設定切向接觸之間的摩擦系數為0.2，法向之間的接觸選擇默認選項。最后在Constraint Manager中把骨架材料嵌入到相應的區域中，類型方式選擇Embedded region。

在定義完相互作用之后，利用ABAQUS中的Load模塊在輪胎的內表面定義充氣壓力，最后在Boundary Condition Manager定義約束條件，設定輪輞的2個參考點限制其2個自由度為0，用于模擬輪胎的靜止狀態，結果如圖9所示：

4 結論

利用ABAQUS有限元法，完成礦用12. OOR20

18PR全鋼載重子午線輪胎的幾何建模、網格劃分、三維網格模型建立及邊界條件施加。為后期利用有限元模型分析輪胎裝配后應力變化，輪胎完成充氣后斷面的應力場變化，模擬輪胎靜載狀態下的應變量及下沉量，為后續研究不同速度、載荷、輪胎氣壓及地面摩擦系數的工況下應力場和溫度場的變化規律奠定一定理論基礎。

參考文獻：

[1]付振山，于春玲.基于ANSYS子午線輪胎靜態特性的有限元分析[J].現代機械，2017（ 06）：38-40.

[2]哈斯巴根，朱凌，石琴，等.輪胎有限元建模過程優化及剛度特性仿真研究[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2015，38（7）：944-948.

[3]張長生，馬榮國山區高速公路交通事故分析及多發路段鑒別[J].長安大學學報，2010，30（ 06）：76-80

[4]李良.子午線輪胎胎面磨損性能的有限元分析[J]橡塑技術與裝備，2019，45 （15）：47-49.

[5]趙亞元子午線輪胎胎面磨耗性能的有限元分析[D]青島：青島科技大學，2015.

[6]洪振宇，田煒，鄒麗瓊.子午線輪胎的滾動瞬態碰撞有限元分析[J].機械設計與制造，2018（ 06）：147-150

作者簡介——

馮聰利：（1984-），女，陜西周至人，講師，碩士，主要研究方向為機械設計制造及其自動化專業。

解小松：（1985-），男，陜西周至人，電氣工程師，主要研究方向：電氣自動化。