帶束層角度對子午胎結(jié)構(gòu)性能影響的三維非線性有限元分析

1、工藝裝備彈性體,2004202225,14(1):3538CHINAELASTOMERICS帶束層角度對子午胎結(jié)構(gòu)性能影響的3三維非線性有限元分析趙國群,程鋼,管延錦(山東大學(xué)模具工程技術(shù)研究中心,山東濟(jì)南260061)摘要:根據(jù)輪胎的幾何非線性、材料非線性和橡膠2簾線復(fù)合材料的各向異性以及輪胎接觸非線性,采用三維非線性有限元法對195/60R14規(guī)格子午線輪胎在不同帶束層角度情況下的應(yīng)力分布進(jìn)行了計(jì)算分析,得出輪胎與地面接觸過程中輪胎的變形情況、載荷2變形關(guān)系、帶束層及胎體應(yīng)力分布等結(jié)果,為輪胎結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效的指導(dǎo)。關(guān)鍵詞:子午線輪胎;帶束層角度;有限元分析;非線性中圖分類號:

2、TQ336.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:100523174(2004)012子午線輪胎是由橡膠與橡膠基復(fù)合材料組成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的柔性層合體。在輪胎結(jié)構(gòu)中,體等簾線2使時產(chǎn)生的作用力,近年來,廣泛地應(yīng)用,的力學(xué)性能,工具12,相繼發(fā)展了TOCT、TUTT、PDEP等一系列輪胎現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論3,這些輪胎現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論都十分重視帶束層、胎體等簾線2橡膠復(fù)合材料部件的受力分析、材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。影響帶束層、胎體力學(xué)性能的因素較多,如簾線的力學(xué)性能、簾線的鋪設(shè)角度和排列間距、鋪層順序、結(jié)構(gòu)形式等。子午線輪胎的帶束層和胎體是輪胎的主要受力部件,承受氣壓和負(fù)載,緩沖輪胎受到的外來沖擊。因此,帶束層的設(shè)計(jì)及性能高低

3、直接影響到子午線輪胎的質(zhì)量性能。了解帶束層的工作狀態(tài)對子午線輪胎的設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值45。筆者對子午線輪胎195/60R14進(jìn)行有限元收稿日期:2003211226作者簡介:趙國群(1962-),男,山東臨朐人,教授,博士生導(dǎo)師,山東大學(xué)模具工程技術(shù)研究中心主任,全國塑性工程學(xué)會常務(wù)理事,國務(wù)院特殊津貼專家、教育部跨世紀(jì)優(yōu)秀人才。主要從事塑性成形理論、成形過程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、模具CAD/CAM/CAE、模具/結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、金屬成形工藝開發(fā)、產(chǎn)品/模具快速設(shè)計(jì)與制造技術(shù)等方面的研究工作。3基金項(xiàng)目:高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20030422069),建,

4、對子午線輪胎變形情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析。1子午線輪胎有限元模型子午線輪胎的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,它包括多種橡膠材料和聚酯或鋼絲簾線2橡膠骨架材料。根據(jù)輪胎的實(shí)際結(jié)構(gòu),在其有限元模型中的相應(yīng)部位定義不同的材料性能。從輪胎斷面圖(圖1)中可以看出,輪胎的輪廓尺寸變化較大。為了保證模擬的精確性和可行性,采用三維實(shí)體單元模擬輪胎各部件。其中,橡膠材料采用不可壓縮Mooney材料模型進(jìn)行模擬,橡膠2簾線復(fù)合材料用rebar材料模型進(jìn)行模擬。筆者根據(jù)子午線輪胎195/60R14的實(shí)際結(jié)構(gòu),建立了相應(yīng)的三維有限元模型。圖1子午線輪胎195/60R14斷面材料單元劃分圖 1994-2009 China Academic J

5、ournal Electronic Publishing House. All rights reserved. 36彈性體第14卷在靜態(tài)接地狀態(tài)下,輪胎結(jié)構(gòu)按對稱性處理。輪胎與輪輞、路面接觸的部分為接觸邊界,在輪胎受到驅(qū)動力矩和各種載荷時,僅依靠輪胎與輪輞和輪胎與地面的支撐力和摩擦力來限制輪胎的剛體位移。輪胎承受垂直載荷時,考慮到其對稱性,只需建立1/2個輪胎模型,如圖2所示。與整個輪胎材料相比,路面可視為剛體,在圖2中以長方形平面來表示,同時考慮輪胎與路面的摩擦作用6。在帶束層端部、胎體反包處和胎圈等結(jié)構(gòu)復(fù)雜,輪胎易損壞的部位,節(jié)點(diǎn)布局相對密集。在輪胎的接地模型中,在=240300有可能發(fā)

6、生接觸的區(qū)域內(nèi)單元劃分密集,而在其它區(qū)域內(nèi)單元布置相對稀疏。算數(shù)據(jù)為每種垂直載荷作用下輪胎最大下沉量。在垂直載荷作用下,輪胎發(fā)生了較大的變形,胎側(cè)向外膨脹鼓出,接觸區(qū)輪胎輪廓變?yōu)楸馄綘?輪胎在整個寬度上與地面接觸,如圖4所示。圖5為帶束層角度的變化對輪胎下沉率的影響。隨著帶束角度的增大,在相同載荷作用下,輪胎的下沉率呈下降趨勢,表明輪胎的徑向剛度隨之增大。5圖2接地狀態(tài)輪胎有限元模型2接地工況的計(jì)算分析2.1輪胎在垂直載荷作用下的變形情況圖5帶束層角度對輪胎下沉率的影響2.2不同垂直載荷下的接觸壓力分布圖3不同垂直載荷作用下輪胎的下沉量在相同充氣壓力、不同垂直載荷作用下,輪胎下沉量的變化情況如

7、圖3所示。其中,下沉量計(jì)a)接地橫軸接觸壓力分布 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期趙國群,等.帶束層角度對子午胎結(jié)構(gòu)性能影響的三維非線性有限元分析37應(yīng)力較大,分布較均勻。隨著帶束層角度增大,胎體反包處應(yīng)力在整個圓周方向略有下降。由圖7、圖8中可知,輪胎結(jié)構(gòu)中存在所謂的雙端點(diǎn)問題,即胎體反包端點(diǎn)與帶束層端點(diǎn)相互制約的問題,從筆者的計(jì)算可知,隨著帶束層角度增大,帶束層端點(diǎn)應(yīng)力上升,而胎體反包端點(diǎn)應(yīng)力下降。b)接地縱軸接觸壓力分布圖6接地區(qū)接觸壓力分布圖6為不

8、同垂直載荷作用時輪胎的接地壓力分布情況。在額定載荷作用下,縱軸方向接地區(qū)的壓力中心低、邊緣高,即發(fā)生翹曲現(xiàn)象;在橫軸方向,邊緣處的接地壓力高于胎冠中心處,壓力分布不均勻,這說明胎肩部位接地壓力較大,胎肩與胎冠之間的壓力差較大,致該部位的形變增大,它部位顯著,產(chǎn)生,等損壞,分布狀況,將直接影響到輪胎的使用性能。帶束層角度變化對接地橫軸和縱軸壓力分布影響不大,在接地區(qū)邊緣壓力隨帶束層角度增大而略有升高。2.3輪胎在垂直載荷作用下應(yīng)力場的變化圖7接觸區(qū)域帶束層的應(yīng)力分布子午線輪胎帶束層是承受載荷的主要部件之一,輪胎的耐磨性、牽引性、滾動阻力等性能的優(yōu)劣和磨肩、胎肩脫層、裂口等輪胎的損壞都與帶束層有關(guān)

9、。在垂直載荷作用下,輪胎底部緊壓地面,相應(yīng)地產(chǎn)生較大的應(yīng)力。接觸區(qū)域帶束層的應(yīng)力分布如圖7所示,在額定載荷作用下,壓力值自接地區(qū)中心到接地區(qū)邊緣,先由小到大,再由大到小。在胎面中部,壓力隨帶束層角度增大而下降,在胎肩部位壓力較大,且隨帶束層角度增大而升高。子午線輪胎胎體反包端點(diǎn)附近常常發(fā)生脫層或開裂破壞,這對輪胎的耐久性影響很大。胎體反包處圓周向應(yīng)力分布如圖8所示(圖中0處為輪胎接地區(qū)正中位置)。由圖8可以看出,胎體反包處在輪胎接地區(qū)應(yīng)力較小,在接地區(qū)域中心達(dá)到最小值,應(yīng)力沿輪胎周向?qū)ΨQ分布,在非接觸區(qū)圖8胎體反包處圓周向應(yīng)力分布2.4帶束層剪應(yīng)力分布帶束層間的剪切力是輪胎脫層和分離的主要影響

10、因素。帶束層邊緣的剪切應(yīng)力增加,容易造成輪胎損壞,即胎面從帶束層邊緣脫開,帶束層邊緣脫層和損壞。如圖9所示,剪應(yīng)力在胎冠處最小,逐漸過渡到在胎肩處最大。胎肩部位是以多種材料靠粘合聯(lián)接起來,一旦受到較大的剪應(yīng)力就會在該處產(chǎn)生脫層,又由于帶束層中剪應(yīng)力是 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 38彈性體第14卷沿層間分布,更易產(chǎn)生剝離錯位。圖10為不同帶束層角度對剪應(yīng)力分布的影響。在胎面中部,帶束層角度增大,剪應(yīng)力隨之上升,最大剪應(yīng)力都發(fā)生在胎肩部位。3結(jié)論應(yīng)用三維非線性

11、有限元方法探討了子午線輪胎帶束層角度變化對輪胎應(yīng)力分布的影響。計(jì)算與分析結(jié)果表明:(1)輪胎承受不同大小靜負(fù)荷時,主要對接地區(qū)帶束層應(yīng)力影響較大;(2)帶束層角度增大,輪胎下沉率減小,其徑向剛度增大;(3)帶束層角度的變化對帶束層端點(diǎn)和胎體反包端點(diǎn)的應(yīng)力變化影響呈相反趨勢;(4)帶束層中剪應(yīng)力的大小主要受垂直載荷大小的影響,帶束層角度變化主要對胎面中部剪應(yīng)力分布影響較大。圖9不同載荷下帶束層剪應(yīng)力分布參考文獻(xiàn):1李麗娟,楊學(xué)貴.J.):313-316.2,.J.輪胎工20.3,.輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究進(jìn)展J.彈性體,2001,1:45-49.4YanXiangqiao,WangYoushan,F

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13、2chanics2RoadandrailJ.VehicleSystemDynamics,2001,35圖10不同帶束層角度對剪應(yīng)力分布的影響(4-5):361-407.Three2dimensionalnonlinearanalysisofeffectofbeltangleonstructureandpropertiesofradialtireZHAOGuo2qun,CHENGGang,GUANGYan2jin(Mould&DieEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061,China)Abstract:Three2dimen

14、sionalnonlinearFEAmodelofradialtireincludingthegeometricnonlinearityoflargedeformation,materialnonlinearity,theanisotropyofrubber2cordcomposites,thenonlinerarbound2aryconditionsfromtire2pavementcontactwasestablished.Thecharacteristicsofradialtireunderdifferentbeltangleswerestudied,andtherelationshipbetweenloadanddeformation,thetiredeformation,beltandcarcassstressdistributionwerediscussed.Theanalysisresultscouldpr