子午線輪胎在混凝土路面上的穩(wěn)態(tài)滾動分析

1、子午線輪胎在混凝土路面上的穩(wěn)態(tài)滾動分析作者：杜子學(xué)汪隨風(fēng)劉競一輪胎對汽車性能影響顯著，不僅影響汽車行駛的安全性、經(jīng)濟(jì)性和平順性，而且影響車身、 底盤等總成及零部件的壽命。研究輪胎力學(xué)特性是汽車輪胎學(xué)的核心內(nèi)容和重點，可以指 導(dǎo)輪胎設(shè)計者更好地改進(jìn)輪胎品種、改善輪胎結(jié)構(gòu)、優(yōu)化輪胎設(shè)計、提高輪胎性能。因此， 輪胎力學(xué)特性的研究具有重大的現(xiàn)實意義。輪胎力學(xué)特性可以分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。 從輪胎的運動狀態(tài)分類，輪胎動態(tài)特性可以分為穩(wěn)態(tài)特性（靜力學(xué)特性）和非穩(wěn)態(tài)特性。輪 胎安裝到汽車上后，無論靜止還是滾動都存在著輪胎與輪輞及路面的接觸，研究輪胎在各 種狀態(tài)下與地面的接觸情況，可以預(yù)測輪胎在充氣和法向負(fù)

2、荷下的下沉構(gòu)型，接地區(qū)域胎 圈、帶柬層的應(yīng)力和應(yīng)變以及輪胎接地印痕面積上的接觸壓力分布等。本研究以MSC.Marc軟件為平臺，考慮了橡膠材料的非線性和不可壓縮性、簾線一橡膠復(fù) 會材料的各向異性、輪胎大變形導(dǎo)致的幾何非線性邊界條件，建立子午線輪胎的三維非線 性穩(wěn)態(tài)滾動有限元模型，并用PATRAN復(fù)合材料層合板的建模方法建立了混凝土路面模 型，分析各種情況下輪胎在混凝土路面上的受力情況以及輪胎角速度與牽引力之間的關(guān)系。1 MSC.Marc軟件簡介MSC.Marc是功能齊全的高級非線性有限元軟件，具有結(jié)構(gòu)分析功能，可以處理各種線性 和非線性結(jié)構(gòu)分析。MSC.Marc軟件具有穩(wěn)態(tài)滾動分析的功能，其特點

3、是采用歐拉一拉格 朗日方程并考慮旋轉(zhuǎn)或側(cè)偏物體的慣性影響。輪胎的分析涉及特殊材料、接觸、大變形以 及滾動慣性的影響，屬于工程難題，國際上對這方面的研究已經(jīng)有很長時間，但由于輪胎 結(jié)構(gòu)、負(fù)荷和變形機(jī)理的復(fù)雜性，并沒有得到徹底解決。MSC.Marc軟件在這方面的研究 中得到廣泛應(yīng)用。2模型的建立2.1輪胎模型的建立利用MSC.Marc軟件提供的加強(qiáng)筋模型模擬輪胎中復(fù)雜的多層簾線-橡膠復(fù)合材料。輪胎二維有限元模型如圖1所示。用該二維軸對稱非線性有限元模型可以模擬輪胎和輪輞定位-充氣-自由旋轉(zhuǎn)的過程。由軸對稱網(wǎng)格生成的輪胎三維有限元模型如圖2所示。接地部位網(wǎng) 格劃分得比較細(xì)，為了便于考察輪胎接地區(qū)域的

4、受力情況，在接地區(qū)域的兩端依次選取幾 個節(jié)點進(jìn)行分析。采用三維實體單元模擬輪胎各部件，橡膠材料采用不可壓縮Mooney材 料模型，橡膠-簾線復(fù)合材料采用Rebar材料模型，輪胎與輪輞、路面的接觸部位為接觸邊 界，胎圈與輪輞接觸受輪輞與鋼絲圈的約束，實際上胎圈與輪輞為過盈配合，即胎圈直徑 略小于輪輞直徑；模擬中，胎圈與輪輞之間相隔一定距離，輪輞沿軸向移動一定距離，考 慮輪胎充氣下沉情況，取標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力為250kPa。圖1輪胎二維有限元模型圖2輪胎三維有限元模型2.2混凝土路面模型的建立在PATRAN里建立路面復(fù)合材料模型。用層合板的方法鋪設(shè)，共4層，分別是土基、級配 碎石底基層、水泥穩(wěn)定碎石基層

5、和水泥面層。2.3邊界條件本研究的穩(wěn)態(tài)滾動計算模型中簡化了輪胎與輪的接觸邊界條件，限制與輪裝配接觸的節(jié)點 和鋼絲圈節(jié)點的位移自由度(如圖3所示)。接觸問題屬于帶約束條件的泛函極值問題，最 常用的方法有拉格朗日乘子法、罰函數(shù)法以及基于求解器的直接約束法。本工作采用 MSC.Mar。軟件中的直接約束法求解輪胎與地面的接觸問題，接地部分進(jìn)行網(wǎng)格自動劃分， 通過控制點控制地面的位移和受力，定義輪胎與混凝土路面之間的接觸關(guān)系。圖3輪胎-輪輞接觸邊界條件簡化2.4負(fù)荷工況在模型中共包括以下幾種負(fù)荷工況。充氣壓力:用均布負(fù)荷的方式施加，作用在輪胎內(nèi)表面上。靜負(fù)荷:通過路面相對于輪胎軸心的作用力來實現(xiàn)，即給輪

6、胎中心施加一個集中力。穩(wěn)態(tài)滾動分析工況:通過控制輪胎的轉(zhuǎn)速(角速度)來實現(xiàn)。自由滾動分析工況:通過控制輪胎的轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)。3結(jié)果與討論3.1輪胎印痕分析在分析輪胎的印痕時定義混凝土路面相對于輪胎移動了 15mm，輪胎的軸向負(fù)荷為3700N，印痕分析結(jié)束時輪胎變形如圖6所示。在輪胎接地區(qū)域內(nèi)胎側(cè)向外凸起，變形較大，與實際情況相符。3.2牽引力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系輪胎以9.1rad/s，的角速度開始旋轉(zhuǎn)，在路面上的行駛速度為80km/h。在輪胎角速度逐步增大到13.6rad/s的過程中，不同摩擦因數(shù)（f）下角速度與牽引力的關(guān)系如圖7所示。從圖4可以看出，摩擦因數(shù)越大，在相同角速度下，地面提供的摩擦牽引力越大

7、。0 -L伽1.749半引力門N-J.7H圖4不同摩擦因數(shù)下角速度與牽引力的關(guān)系3.3靡擦應(yīng)力分布3.3.1縱向摩擦應(yīng)力 穩(wěn)態(tài)滾動分析時，作用在牽引或制動車輪接觸平面中的縱向應(yīng)力量值和方向取決于車輪自 由滾動中引起的應(yīng)力及轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的附加應(yīng)力的總和。這些應(yīng)力在整個接觸面積上的分布取 決于輪胎設(shè)計、徑向負(fù)荷及輪胎與路面的抓著力，也取決于胎面單元對路面產(chǎn)生的部分滑 動。圖5和6分別示出了輪胎在80 km/h的行駛速度下制動時輪胎接地面縱向摩擦應(yīng)力分布和 沿印痕中心線縱向摩擦應(yīng)力分布.從圖可以看出，制動時地面對輪胎的摩擦應(yīng)力分布很不均 勻，高摩擦應(yīng)力區(qū)向與運動方向相反的方向擴(kuò)展。圖5完全制動狀態(tài)下縱向

8、摩擦應(yīng)力分布圖6完全制動狀態(tài)下沿印痕中心線的縱向摩擦應(yīng)力分布圖7和8示出了輪胎在80 km/h的行駛速度下以一定角速度牽引時輪胎接地面的縱向摩擦 應(yīng)力分布和沿印痕中心線縱向摩擦應(yīng)力分布。從圖可以看出，在輪胎處于牽引狀態(tài)時，地 面對輪胎的摩擦應(yīng)力分布很不均勻，高摩擦應(yīng)力區(qū)向運動方向擴(kuò)展。I圖7完全牽引狀態(tài)下縱向摩擦應(yīng)力分布圖8完全牽引狀態(tài)下沿印痕中心線的縱向摩擦應(yīng)力分布以輪胎轉(zhuǎn)矩為零來模擬輪胎的自由滾動過程。圖9和10示出了輪胎自由滾動過程中輪胎 接地面的縱向摩擦應(yīng)力分布和沿印痕中心線縱向摩擦應(yīng)力分布。在自由滾動狀態(tài)下接地面 的縱向摩擦應(yīng)力分布不均勻，胎肩部位接地區(qū)縱向摩擦應(yīng)力分布較大。圖9自由

9、滾動狀態(tài)下縱向摩擦應(yīng)力分布圖10自由滾動狀態(tài)下沿印痕中心線的縱向摩擦應(yīng)力分布3.3.2自由滾動狀態(tài)下的側(cè)向摩擦應(yīng)力當(dāng)輪胎滾動時，胎面承受來自路面的使胎面展寬的力，于是就產(chǎn)生側(cè)向剪切變形和側(cè)向摩 擦應(yīng)力。剪切應(yīng)變主要集中在帶束層邊緣處和胎肩表面，胎面中部應(yīng)力較小，兩側(cè)胎肩處 應(yīng)力急劇上升，但應(yīng)力方向相反。在接地區(qū)域，冠帶層、帶束層和胎體簾布層中存在方向 相反的應(yīng)力將產(chǎn)生繞垂直軸的力矩，反映了輪胎的簾線一橡膠復(fù)合材料存在變形藕合效應(yīng) 是引起輪胎偽側(cè)偏的因素之一，對輪胎的直線行駛性能具有重要的影響。3.4接地區(qū)法向接觸應(yīng)力分布輪胎加負(fù)荷3700N后，在各種狀態(tài)下（輪胎以80km/h的速度行駛時進(jìn)行制動和牽引）輪胎 接地面上法向接觸應(yīng)力分布以及沿印痕中心線的法向接觸應(yīng)力分布分別如圖16和17所 示。從圖11和12可以看出，施加靜態(tài)負(fù)荷后，輪胎接地面內(nèi)最大法向接觸應(yīng)力值并非出 現(xiàn)在接地面中心，而是偏離中心，分布在兩側(cè)。圖11法向接魎應(yīng)力分布示意圖12各種狀態(tài)下沿印痕中心線的法向接觸應(yīng)力分布4結(jié)語利用大型MSC.Mar。軟件建立輪胎穩(wěn)態(tài)滾動有限元模型和混凝土路面模型，并進(jìn)行輪胎在 混凝土路面上的穩(wěn)態(tài)滾動分析。在建立輪胎模型的過程中，根據(jù)輪胎和負(fù)荷的