CN105205243B - 一种判定宽基子午线轮胎胎体帘线弯曲的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种判定宽基子午线轮胎胎体帘线弯曲的方法，利用有限元分析方法，建立轮胎生胎模型，仿真分析宽基子午线轮胎成型过程、以及通过硫化机内定型的方式将轮胎生胎转化为成品胎的过程，利用成品胎胎冠处的胎体帘线内力的正负作为判定胎体帘线弯曲的方法。本发明方法通过提出利用硫化机内定型后成品胎胎体帘线内力的正负作为判定胎体帘线是否弯曲，从而有效地解决宽基子午线轮胎生产中的胎体帘线弯曲问题，为提升宽基子午线轮胎性能奠定理论指导和技术支持。

Description

一种判定宽基子午线轮胎胎体帘线弯曲的方法

技术领域

本发明属于模拟仿真领域，尤其是判定宽基子午线轮胎胎体帘线弯曲的方法。

背景技术

宽基轮胎单胎代替普通轮胎并装双胎，具有轮胎和轮辋总成质量小、承载能力大、安装空间小等优点，成为载重子午线轮胎发展的主流趋势。但宽基子午线轮胎制造工艺复杂，要求精度高。在宽基子午线轮胎实际生产过程中，胎体帘线弯曲是最常见的缺陷之一，这种缺陷直接影响轮胎的各项性能。在进行轮胎施工设计过程中，多使用基于经验的“试错法”来解决胎体帘线弯曲问题。山东宏宇橡胶有限公司的岳耀平通过施工设计参数有效解决了载重子午线轮胎胎体帘线变形问题。江苏韩泰轮胎有限公司的浦哲通过调整成型过程中充气鼓上压合条件，达到减小胎体帘线弯曲问题。这种方法具有适用范围窄、精度低和获取信息量小等缺点，利用这种方法试验次数多且误差很大，往往无法取得理想的结果。

近年来，轮胎CAE技术得到了飞速的发展，使用数值方法模拟轮胎成型过程得到了广泛的应用。中国专利公开号为CN101923589A的专利文献公开了宽基子午线轮胎成型过程的模拟方法。江苏大学杜小伟采用ABAQUS软件对385/55R22.5全钢载重子午线轮胎的成型过程和硫化机内定型过程进行了有限元模拟，仿真结构和实际结构具有很好的一致性。三角轮胎股份有限公司的高明以Abaqus为仿真分析平台，模拟了215/35R18轮胎的成型过程，分析了轮胎设计工艺参数对成型轮胎胎坯形状的影响。然而，这些轮胎成型过程的数值模拟主要是可视化实现轮胎在硫化罐外的成型过程，以及分析不同的轮胎设计施工参数对成型轮胎的影响，且大多都是针对常规型号非宽基子午线轮胎开展的。对于判定宽基子午线轮胎胎体帘线弯曲与否评价标准至今尚未公开报道。

发明内容

本发明提供一种判定宽基子午线轮胎胎体帘线弯曲的方法，利用有限元分析方法，对宽基子午线轮胎成型过程进行仿真分析，通过判定硫化机内定型后成品轮胎胎体帘线内力在沿轮胎断面宽度方向的正负，评定胎体帘线弯曲与否。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种判定宽基子午线轮胎胎体帘线弯曲的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)轮胎部件有限元模型的建立：

宽基子午线轮胎主要包括主鼓部件、辅助鼓部件和三角胶部件，主鼓部件包括胎侧胶、耐磨胶、胶片、内衬层、下内衬层、加强层、胎体层、胎肩垫胶；辅助鼓部件包括1号带束层、2号带束层、3号带束层、4号带束层、以及胎冠胶；三角胶部件包括钢丝圈、三角胶以及三角胶胶片；根据施工要求建立所述轮胎各部件有限元模型，将宽基子午线轮胎简化为二维轴对称模型，橡胶部件有限元模型中四边形单元为CGAX4H，三角形单元为CGAX3H，钢丝帘线部件有限元模型中二维面单元为SFMGAX1，采用Marlow本构模型描述橡胶材料属性，RebarLayer模型模拟钢丝帘线，主鼓和辅助鼓采用解析刚体模拟，主鼓所有部件、辅助鼓所有部件和三角胶所有部件计算模型由Hypermesh软件进行网格划分。

(2)轮胎生胎成型过程仿真：

(2.1)根据三鼓式一次成型法成型机的工艺流程，在成型机主鼓上进行侧胶、耐磨胶、胶片、内衬层、下内衬层、加强层、胎体层、胎肩垫胶的贴合，形成主鼓部件子系统；

在辅助鼓上进行1号带束层、2号带束层、3号带束层、4号带束层、以及胎冠胶的贴合，形成辅助鼓部件子系统；

(2.2)将(2.1)中的主鼓部件子系统、辅助鼓部件子系统和三角胶部件子系统三个子系统模型分别导入到Abaqus软件中，通过固定三个子系统部件的位置，先将贴合后的主鼓部件、辅助鼓部件在成型鼓上进行装配，按照施工表上的定位参数将三角胶部件定位到成型鼓上，对主鼓部件上的轮胎內缘施加额定气压进行充气，固定辅助鼓部件和三角胶部件，实现胎侧反包工艺过程，形成胎坯，即轮胎生胎；

(2.3)将(2.2)得到的轮胎生胎放入硫化罐内，与硫化模具进行装配，然后通过对胶囊内表面施加均布压力的方法进行定型仿真，定型时先将胶囊内抽真空，再将胎胚套在胶囊外面，按照施工设计给胶囊内部施加额定气压10％的小气压对胎胚进行定位，合模后胶囊内部压强增加到额定气压120％的大气压进行机内硫化定型，仿真得到成品轮胎；

(3)成品轮胎胎体帘线内力分析：

导出硫化机内定型后的成品轮胎在胎冠处的胎体帘线内力，获得胎体帘线内力的分布特征，若帘线内力均为正，说明成品轮胎的胎体帘线不会弯曲；若帘线内力均为负，成品轮胎的胎体帘线发生弯曲。

优选地，所述步骤(1)中划分的网格尺寸为6-9mm，在步骤(2)中还包括变形较大的部位网格细化。

优选地，所述步骤(2.1)中贴合仿真采用施加额定气压的1％-2.5％均布压力的方法。

优选地，所述步骤(2.2)中反包过程为从耐磨胶到胎侧采用分段施加1％-3％的额定气压的均布压力方法模拟反包胶囊的反包过程。

优选地，还包括通过在有限元软件中改进轮胎施工参数，调整轮胎制造工艺，直至达到胎体帘线力分布全部为正，即胎体帘线无弯曲，再进行轮胎生产。

本发明方法是利用硫化机内定型后成品胎胎冠处的胎体帘线内力的正负作为判定宽基子午线轮胎胎体帘线是否弯曲的评价方法。本发明具有应用范围广、精度高和泛化能力强等优点，能够克服传统“试错法”的缺陷，有效地解决宽基子午线轮胎帘线弯曲问题，从而提高轮胎生产质量。

附图说明

图1为本发明所述判定宽基子午线轮胎胎体帘线弯曲方法流程图。

图2为所述主鼓部件、辅助鼓部件、三角胶部件的有限元模型。

图3为主鼓部件贴合过程。

图4为贴合后的主鼓子系统。

图5为辅助鼓部件贴合过程。

图6为贴合后的辅助鼓子系统。

图7为轮胎生胎成型过程，图7(a)为定位，图7(b)充气，图7(c)胎侧反包，图7(d)生胎。

图8为硫化机内定型成品轮胎过程，图8(a)为轮胎生胎与硫化模具的装配，图8(b)为定型后的成品轮胎。

图9为硫化机内定型后胎体帘线内力选取部位示意图。

图10为两胎肩与胎冠范围内胎体帘线内力曲线。

图11为实际轮胎胎体帘线状态。

图12为优化施工参数后硫化机内定型后两胎肩与胎冠范围内胎体帘线内力。

图13为优化施工参数后的实际轮胎胎体帘线状态。

图中：

1-成型鼓，2-胶囊，3-模具。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

以435/50R19.5全钢载重宽基子午线轮胎的成型过程为例说明具体实施步骤，如图1所示。该型号轮胎额定气压和额定载荷分别为0.83MPa和45kN。

S1：轮胎部件有限元模型的建立。

宽基子午线轮胎主要包括主鼓部件、辅助鼓部件和三角胶部件，主鼓部件包括胎侧胶、耐磨胶、胶片、内衬层、下内衬层、加强层、胎体层、胎肩垫胶；辅助鼓部件包括1号带束层、2号带束层、3号带束层、4号带束层、以及胎冠胶；三角胶部件包括钢丝圈、三角胶以及三角胶胶片。根据施工要求建立所述轮胎各部件有限元模型，将宽基子午线轮胎简化为二维轴对称模型，橡胶部件有限元模型中四边形单元为CGAX4H，三角形单元为CGAX3H，二维面单元为SFMGAX1，采用Marlow本构模型描述橡胶材料属性，Rebar Layer模型模拟钢丝帘线，主鼓和辅助鼓采用解析刚体模拟；主鼓所有部件、辅助鼓所有部件和三角胶所有部件计算模型由Hypermesh软件进行网格划分；如图2所示，其中图2(a)为所述主鼓部件的有限元模型，图2(b)为辅助鼓部件的有限元模型，图2(c)为三角胶部件的有限元模型。。网格尺寸控制在6-9mm为佳，初始网格以均匀为益。针对成型过程中变形较大的部位采用网格细化。

S2：轮胎生胎成型过程仿真。

首先，将主鼓部件、辅助鼓部件和三角胶部件有限元模型导入Abaqus软件进行空间位置定位，以重现三个子系统部件在成型机上的安装位置。综合考虑贴合过程的工艺方法和仿真分析精度，采用施加额定气压的1％-2.5％均布压力的方法进行贴合仿真。根据三鼓式一次成型法成型机的工艺流程，在成型机主鼓上进行侧胶、耐磨胶、胶片、内衬层、下内衬层、加强层、胎体层、胎肩垫胶的贴合，形成主鼓部件子系统，如图3所示。在辅助鼓上进行1号带束层、2号带束层、3号带束层、4号带束层、以及胎冠胶的贴合，形成辅助鼓部件子系统，如图4所示。

其次，将贴合后的主鼓部件子系统、辅助鼓部件子系统和三角胶部件子系统三个子系统模型分别导入到Abaqus软件中，通过固定三个子系统部件的位置，先将贴合后的主鼓部件、辅助鼓部件在成型鼓1上进行装配，按照施工表上的定位参数将三角胶部件定位到成型鼓1上，对主鼓部件上的轮胎內缘施加额定气压进行充气，固定辅助鼓部件和三角胶部件，如图5所示，实现胎侧反包工艺过程，形成胎坯，即轮胎生胎。反包工艺过程，从耐磨胶到胎侧，采用分段施加1％-3％的额定气压的均布压力方法模拟反包胶囊2的反包过程。

最后，将轮胎生胎放入硫化罐内，与硫化模具3进行装配，然后通过对胶囊2内表面施加均布压力的方法进行定型仿真，如图6所示。定型时先将胶囊2内抽真空，再将胎胚套在胶囊2外面，按照施工设计给胶囊2内部施加额定气压10％的小气压对胎胚进行定位，合模后胶囊2内部压强增加到额定气压120％的大气压进行机内硫化定型，仿真得到成品轮胎。

S3：成品轮胎胎体帘线内力分析：

导出硫化机内定型后的成品轮胎在胎冠处的胎体帘线内力，获得胎体帘线内力的分布特征，若帘线内力均为正，说明成品轮胎的胎体帘线不会弯曲；若帘线内力均为负，成品轮胎的胎体帘线发生弯曲。

具体的，为提取硫化机内定型后成品胎胎冠处的胎体帘线的节点序列创建一个Path，即CC-FF段，如图7(a)所示。再以这个Path为横坐标，以胎体帘线的内力为纵坐标，采用Excel软件绘制CC-FF段内胎体帘线内力沿断面宽度方向的分布特性，如图7(b)所示。由图7(b)所示，硫化机内定型后，胎冠中心处胎体帘线内力为负值。依据本发明所述的方法判定：成品轮胎胎体帘线在该处应该为弯曲的。该型号轮胎实际产品的胎体帘线分布状态，如图7(c)所示，胎体帘线在胎肩位置出现了弯曲，与本发明所述的方法预测结果一致。

为充分发挥本发明所述方法的对实际生产的指导意义，对该型号轮胎的施工设计参数进行了调整，通过优化辅助鼓周长和子口平宽两个施工参数，对该型号轮胎成型仿真分析，使胎冠处的胎体帘线内力均为正，胎体帘线内力如图8(a)所示。根据调整后的施工参数试制样胎，修改施工设计参数后试制样胎轮胎的胎体帘线状态如图8(b)所示，胎体帘线不存在弯曲，与预测基本一致。这说明了本发明专利所阐述判定宽基子午线轮胎胎体帘线弯曲的方法具有较为理想的精度，能够满足实际工程运用的需求，可在轮胎行业内推广实施，并对宽基子午线轮胎的生产工艺的制定和调整具有指导意义。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种判定宽基子午线轮胎胎体帘线弯曲的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)轮胎部件有限元模型的建立：

宽基子午线轮胎包括主鼓部件、辅助鼓部件和三角胶部件，主鼓部件包括胎侧胶、耐磨胶、胶片、内衬层、下内衬层、加强层、胎体层、胎肩垫胶；辅助鼓部件包括1号带束层、2号带束层、3号带束层、4号带束层、以及胎冠胶；三角胶部件包括钢丝圈、三角胶以及三角胶胶片；根据施工要求建立所述轮胎各部件有限元模型，将宽基子午线轮胎简化为二维轴对称模型，橡胶部件有限元模型中四边形单元为CGAX4H，三角形单元为CGAX3H；钢丝帘线部件有限元模型中二维面单元为SFMGAX1；采用Marlow本构模型描述橡胶材料属性；Rebar Layer模型模拟钢丝帘线；主鼓和辅助鼓采用解析刚体模拟；主鼓所有部件、辅助鼓所有部件和三角胶所有部件计算模型由Hypermesh软件进行网格划分；

(2)轮胎生胎成型过程仿真：

(2.1)根据三鼓式一次成型法成型机的工艺流程，在成型机主鼓上进行侧胶、耐磨胶、胶片、内衬层、下内衬层、加强层、胎体层、胎肩垫胶的贴合，形成主鼓部件子系统；

在辅助鼓上进行1号带束层、2号带束层、3号带束层、4号带束层、以及胎冠胶的贴合，形成辅助鼓部件子系统；

(2.2)将(2.1)中的主鼓部件子系统、辅助鼓部件子系统和三角胶部件子系统三个子系统模型分别导入到Abaqus软件中，通过固定三个子系统部件的位置，先将贴合后的主鼓部件、辅助鼓部件在成型鼓上进行装配，按照施工表上的定位参数将三角胶部件定位到成型鼓上，对主鼓部件上的轮胎內缘施加额定气压进行充气，固定辅助鼓部件和三角胶部件，实现胎侧反包工艺过程，形成胎坯，即轮胎生胎；

(2.3)将(2.2)得到的轮胎生胎放入硫化罐内，与硫化模具进行装配，然后通过对胶囊内表面施加均布压力的方法进行定型仿真，定型时先将胶囊内抽真空，再将胎胚套在胶囊外面，按照施工设计给胶囊内部施加额定气压10％的小气压对胎胚进行定位，合模后胶囊内部压强增加到额定气压120％的大气压进行机内硫化定型，仿真得到成品轮胎；

(3)成品轮胎胎体帘线内力分析：

导出硫化机内定型后的成品轮胎在胎冠处的胎体帘线内力，获得胎体帘线内力的分布特征，若帘线内力均为正，说明成品轮胎的胎体帘线不会弯曲；若帘线内力均为负，成品轮胎的胎体帘线发生弯曲。

2.根据权利要求1所述的判定宽基子午线轮胎胎体帘线弯曲的方法，其特征在于，所述步骤(1)中划分的网格尺寸为6-9mm，在步骤(2)中还包括变形较大的部位网格细化。

3.根据权利要求1所述的判定宽基子午线轮胎胎体帘线弯曲的方法，其特征在于，所述步骤(2.1)中贴合仿真采用施加额定气压的1％-2.5％均布压力的方法。

4.根据权利要求1所述的判定宽基子午线轮胎胎体帘线弯曲的方法，其特征在于，所述步骤(2.2)中反包过程为从耐磨胶到胎侧采用分段施加1％-3％的额定气压的均布压力方法模拟反包胶囊的反包过程。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的判定宽基子午线轮胎胎体帘线弯曲的方法，其特征在于，还包括通过在有限元软件中改进轮胎施工参数，调整轮胎制造工艺，直至达到胎体帘线力分布全部为正，即胎体帘线无弯曲，再进行轮胎生产。