1、带束层角度对子午胎结构性能影响的三维非线性有限元分析工艺装备弹性体,2004202225,14(1):3538CHINAELASTOMERICS带束层角度对子午胎结构性能影响的3三维非线性有限元分析赵国群,程钢,管延锦(山东大学模具工程技术研究中心,山东济南260061)摘要:根据轮胎的几何非线性、材料非线性和橡胶2帘线复合材料的各向异性以及轮胎接触非线性,采用三维非线性有限元法对195/60R14规格子午线轮胎在不同带束层角度情况下的应力分布进行了计算分析,得出轮胎与地面接触过程中轮胎的变形情况、载荷2变形关系、带束层及胎体应力分布等结果,为轮胎结构参数的优化设计提供了有效的指导。关键词:子
2、午线轮胎;带束层角度;有限元分析;非线性中图分类号:TQ336.1文献标识码:A文章编号:100523174(2004)012子午线轮胎是由橡胶与橡胶基复合材料组成的结构复杂的柔性层合体。在轮胎结构中,体等帘线2使时产生的作用力,近年来,广泛地应用,的力学性能,工具12,相继发展了TOCT、TUTT、PDEP等一系列轮胎现代设计理论3,这些轮胎现代设计理论都十分重视带束层、胎体等帘线2橡胶复合材料部件的受力分析、材料设计和结构设计。影响带束层、胎体力学性能的因素较多,如帘线的力学性能、帘线的铺设角度和排列间距、铺层顺序、结构形式等。子午线轮胎的带束层和胎体是轮胎的主要受力部件,承受气压和负载,
3、缓冲轮胎受到的外来冲击。因此,带束层的设计及性能高低直接影响到子午线轮胎的质量性能。了解带束层的工作状态对子午线轮胎的设计有着重要的指导意义和应用价值45。笔者对子午线轮胎195/60R14进行有限元收稿日期:2003211226作者简介:赵国群(1962-),男,山东临朐人,教授,博士生导师,山东大学模具工程技术研究中心主任,全国塑性工程学会常务理事,国务院特殊津贴专家、教育部跨世纪优秀人才。主要从事塑性成形理论、成形过程计算机数值模拟技术、优化设计、模具CAD/CAM/CAE、模具/结构优化设计、金属成形工艺开发、产品/模具快速设计与制造技术等方面的研究工作。3基金项目:高等学校博士学科点
4、专项科研基金资助项目(20030422069),建,对子午线轮胎变形情况进行了详细的分析。1子午线轮胎有限元模型子午线轮胎的结构复杂,它包括多种橡胶材料和聚酯或钢丝帘线2橡胶骨架材料。根据轮胎的实际结构,在其有限元模型中的相应部位定义不同的材料性能。从轮胎断面图(图1)中可以看出,轮胎的轮廓尺寸变化较大。为了保证模拟的精确性和可行性,采用三维实体单元模拟轮胎各部件。其中,橡胶材料采用不可压缩Mooney材料模型进行模拟,橡胶2帘线复合材料用rebar材料模型进行模拟。笔者根据子午线轮胎195/60R14的实际结构,建立了相应的三维有限元模型。图1子午线轮胎195/60R14断面材料单元划分图
5、1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 36弹性体第14卷在静态接地状态下,轮胎结构按对称性处理。轮胎与轮辋、路面接触的部分为接触边界,在轮胎受到驱动力矩和各种载荷时,仅依靠轮胎与轮辋和轮胎与地面的支撑力和摩擦力来限制轮胎的刚体位移。轮胎承受垂直载荷时,考虑到其对称性,只需建立1/2个轮胎模型,如图2所示。与整个轮胎材料相比,路面可视为刚体,在图2中以长方形平面来表示,同时考虑轮胎与路面的摩擦作用6。在带束层端部、胎体反包处和胎圈等结构复杂,轮胎易损坏的部位,节点布局相
6、对密集。在轮胎的接地模型中,在=240300有可能发生接触的区域内单元划分密集,而在其它区域内单元布置相对稀疏。算数据为每种垂直载荷作用下轮胎最大下沉量。在垂直载荷作用下,轮胎发生了较大的变形,胎侧向外膨胀鼓出,接触区轮胎轮廓变为扁平状,轮胎在整个宽度上与地面接触,如图4所示。图5为带束层角度的变化对轮胎下沉率的影响。随着带束角度的增大,在相同载荷作用下,轮胎的下沉率呈下降趋势,表明轮胎的径向刚度随之增大。5图2接地状态轮胎有限元模型2接地工况的计算分析2.1轮胎在垂直载荷作用下的变形情况图5带束层角度对轮胎下沉率的影响2.2不同垂直载荷下的接触压力分布图3不同垂直载荷作用下轮胎的下沉量在相同
7、充气压力、不同垂直载荷作用下,轮胎下沉量的变化情况如图3所示。其中,下沉量计a)接地横轴接触压力分布 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期赵国群,等.带束层角度对子午胎结构性能影响的三维非线性有限元分析37应力较大,分布较均匀。随着带束层角度增大,胎体反包处应力在整个圆周方向略有下降。由图7、图8中可知,轮胎结构中存在所谓的双端点问题,即胎体反包端点与带束层端点相互制约的问题,从笔者的计算可知,随着带束层角度增大,带束层端点应力上升,而胎体反包端点应力下降。b
8、)接地纵轴接触压力分布图6接地区接触压力分布图6为不同垂直载荷作用时轮胎的接地压力分布情况。在额定载荷作用下,纵轴方向接地区的压力中心低、边缘高,即发生翘曲现象;在横轴方向,边缘处的接地压力高于胎冠中心处,压力分布不均匀,这说明胎肩部位接地压力较大,胎肩与胎冠之间的压力差较大,致该部位的形变增大,它部位显著,产生,等损坏,分布状况,将直接影响到轮胎的使用性能。带束层角度变化对接地横轴和纵轴压力分布影响不大,在接地区边缘压力随带束层角度增大而略有升高。2.3轮胎在垂直载荷作用下应力场的变化图7接触区域带束层的应力分布子午线轮胎带束层是承受载荷的主要部件之一,轮胎的耐磨性、牵引性、滚动阻力等性能的
9、优劣和磨肩、胎肩脱层、裂口等轮胎的损坏都与带束层有关。在垂直载荷作用下,轮胎底部紧压地面,相应地产生较大的应力。接触区域带束层的应力分布如图7所示,在额定载荷作用下,压力值自接地区中心到接地区边缘,先由小到大,再由大到小。在胎面中部,压力随带束层角度增大而下降,在胎肩部位压力较大,且随带束层角度增大而升高。子午线轮胎胎体反包端点附近常常发生脱层或开裂破坏,这对轮胎的耐久性影响很大。胎体反包处圆周向应力分布如图8所示(图中0处为轮胎接地区正中位置)。由图8可以看出,胎体反包处在轮胎接地区应力较小,在接地区域中心达到最小值,应力沿轮胎周向对称分布,在非接触区图8胎体反包处圆周向应力分布2.4带束层
10、剪应力分布带束层间的剪切力是轮胎脱层和分离的主要影响因素。带束层边缘的剪切应力增加,容易造成轮胎损坏,即胎面从带束层边缘脱开,带束层边缘脱层和损坏。如图9所示,剪应力在胎冠处最小,逐渐过渡到在胎肩处最大。胎肩部位是以多种材料靠粘合联接起来,一旦受到较大的剪应力就会在该处产生脱层,又由于带束层中剪应力是 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 38弹性体第14卷沿层间分布,更易产生剥离错位。图10为不同带束层角度对剪应力分布的影响。在胎面中部,带束层角度增大,剪应力随之上
11、升,最大剪应力都发生在胎肩部位。3结论应用三维非线性有限元方法探讨了子午线轮胎带束层角度变化对轮胎应力分布的影响。计算与分析结果表明:(1)轮胎承受不同大小静负荷时,主要对接地区带束层应力影响较大;(2)带束层角度增大,轮胎下沉率减小,其径向刚度增大;(3)带束层角度的变化对带束层端点和胎体反包端点的应力变化影响呈相反趋势;(4)带束层中剪应力的大小主要受垂直载荷大小的影响,带束层角度变化主要对胎面中部剪应力分布影响较大。图9不同载荷下带束层剪应力分布参考文献:1李丽娟,杨学贵.J.):313-316.2,.J.轮胎工20.3,.轮胎结构设计理论研究进展J.弹性体,2001,1:45-49.4
12、YanXiangqiao,WangYoushan,FengXijin.Studyfortheen2duranceofradialtrucktireswithfiniteelementmodelingJ.MathematricsandComputersinSimulation,2002,59(6):471-488.5Yan,X.Non2linearthree2dimensionalfiniteelementmodelingofradialtiresJ.MathematicsandComputersinSimulation,2001,58(1):51-70.6KnotheK.,WilleR.,Za
13、strauB.W.Advancedcontactme2chanics2RoadandrailJ.VehicleSystemDynamics,2001,35图10不同带束层角度对剪应力分布的影响(4-5):361-407.Three2dimensionalnonlinearanalysisofeffectofbeltangleonstructureandpropertiesofradialtireZHAOGuo2qun,CHENGGang,GUANGYan2jin(Mould&DieEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061,
14、China)Abstract:Three2dimensionalnonlinearFEAmodelofradialtireincludingthegeometricnonlinearityoflargedeformation,materialnonlinearity,theanisotropyofrubber2cordcomposites,thenonlinerarbound2aryconditionsfromtire2pavementcontactwasestablished.Thecharacteristicsofradialtireunderdifferentbeltangleswere
15、studied,andtherelationshipbetweenloadanddeformation,thetiredeformation,beltandcarcassstressdistributionwerediscussed.Theanalysisresultscouldpredictthetirecharacteristicsandpro2videvalidparametersfortiredisignandoptimization.Keywords:radialtire;beltangle;finiteelementanalysis;nonlinear 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
