CN111191397B - 一种子午线轮胎静态径向刚度快速预测方法 - Google Patents

一种子午线轮胎静态径向刚度快速预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种子午线轮胎静态径向刚度快速预测方法，通过建立数学模型和有限元仿真的方法能有效的解决这一问题，通过仿真计算获得少量数据点，利用数据点对模型进行拟合，即可获得模型参数，进而获得轮胎静态径向刚度。

Description

一种子午线轮胎静态径向刚度快速预测方法
技术领域
本发明属于轮胎工业技术领域，涉及一种子午线轮胎静态径向刚度快速预测方法。
背景技术
子午线轮胎径向刚度是轮胎性能的关键指标之一，对轮胎的耐久性能、承载性能和舒适性能等均有很大影响。由于轮胎结构十分复杂(包括钢丝或尼龙材料构成的胎体，若干层具有不同角度和不同性能钢丝构成的橡胶-钢丝复合材料带束层，由高强度钢丝紧密排列而制成的各种形状钢丝圈，胎面、胎侧、三角胶等多个形状不规则橡胶部件)，这导致很难从理论预测轮胎的径向刚度，一般采用试验方法获得。对轮胎径向刚度的传统测试方法为测量两个不同载荷下轮胎的下沉量，以此两对数据点计算斜率，而实际轮胎的载荷-位移曲线呈现明显的非线性，即轮胎径向刚度随下沉量而变化，仅使用两组数据计算斜率的刚度计算方法会导致计算结果不准确，并且实验方法存在费时、费力和增加成本的缺点。
通过建立数学模型和有限元仿真的方法能有效的解决这一问题，通过仿真计算获得少量数据点，利用数据点对模型进行拟合，即可获得模型参数，进而获得轮胎静态径向刚度。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，即对轮胎径向刚度的传统测试方法为测量两个不同载荷下轮胎的下沉量，以此两对数据点计算斜率，而实际轮胎的载荷-位移曲线呈现明显的非线性，即轮胎径向刚度随载荷而变化，仅使用两组数据计算斜率的刚度计算方法会导致计算结果不准确，并且实验方法存在费时、费力和增加成本的缺点。进而提供一种子午线轮胎静态径向刚度快速预测方法，通过建立数学模型和有限元仿真结合的方法能有效的解决这一问题，可快速、准确获得轮胎的载荷-位移曲线和静态径向刚度。
材料分布图的定义为：包括轮胎的外轮廓形状，内轮廓形状，内部橡胶部件形状，带束层形状等包含轮胎断面几何信息的CAD图形文件。
一种子午线轮胎静态径向刚度快速预测方法，其步骤为：
第一步：对轮胎的材料分布图进行网格划分和分配材料：根据轮胎尺寸参数对材料分布图进行定位，使其最高点与轮胎外半径相同，对材料分布图进行网格划分，划分为四边形单元或三角形单元，其中带束层、胎体和其他增强材料部件(钢丝包布和尼龙包布)为四边形单元，且使用骨架材料单元来表示增强材料的增强作用。根据轮胎实际材料测试情况为每个橡胶材料单元和胎体增强材料分配材料属性。所有单元必须设置为轴对称属性，这样可以利用二维模型模拟三维充气情况。将实际轮辋曲线导入并设置为刚体，加入仿真模型中；
第二步：收缩钢丝圈：由于一般轮胎的胎圈设计宽度比轮辋宽度要大，因此先将胎圈收缩到轮辋内侧。通过给轮胎左侧钢丝圈施加向上和向右位移，给右侧钢丝圈施加向上和向左位移，达到收缩胎圈的目的。
第三步：设置轮胎模型的边界条件：设置胎圈部位与轮辋的接触属性，主要包括法向接触属性和摩擦系数，设置内衬层内表面为施加充气载荷作用面；
第四部：给轮胎内部充以实际气压，方向垂直于内衬层内表面单元，此时轮胎会膨胀，胎圈与轮辋接触，胎面变形，膨胀到平衡形状；
第五步：对轮胎进行三维负载分析。将第四步充气后的二维仿真模型扫略360度形成三维轮胎仿真模型，建立二维平直刚体模型作为路面(在x-y平面)，路面模型的长度为轮胎直径的1/3，宽度较轮胎行驶面宽度宽10mm，并设置轮胎胎面表面与路面的接触属性。将路面模型放于轮胎模型正下方，与轮胎表面距离为1mm，使轮胎中心线与路面中心线对齐，将轮胎轮辋固定，只保留路面的z向自由度，给路面施加实际承载的载荷，方向朝向轮胎一侧，使路面与轮胎接触，轮胎产生变形；
第六步：数据处理。提取分析过程中的三组数据点(不同载荷和与之对应的下沉量)；将三组数据点带入到如下轮胎载荷与下沉量关系模型中，
Figure BDA0002368648280000041
其中F为轮胎载荷，x为轮胎下沉量，a、b、c为模型参数。通过提取的三组数据即可计算获得模型参数a、b和c的数值，即获得模型参数，对公式(1)求导，即可获得轮胎刚度随下沉量的关系：
K＝ax2+bx+c (2)
其中K为轮胎刚度。
通过以上步骤，可准确快速计算轮胎的静态径向刚度
附图说明
图1轮胎材料分布图及定位位置；
图2轮胎材料分布图网格及各部件名称；
图3轮胎钢丝圈收缩示意图；
图4轮胎胎圈与轮胎接触部位示意图；
图5轮胎内衬层内表面示意图；
图6轮胎充气平衡结构示意图；
图7三维轮胎构型示意图；
图8三维轮胎与轮辋组装体示意图；
图9轮胎承受载荷变形示意图。
图10轮胎载荷与下沉量曲线本专利计算结果与实验测试结果对比图；
图11轮胎静态径向刚度与下沉量曲线本专利计算结果与实验测试结果对比图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
以315/60R22.5轮胎作为本实施例，根据本发明的实施步骤：
第一步，对轮胎的材料分布图进行网格划分和分配材料。轮胎的半径为473mm，因此将轮胎材料分布图整体移动，使其最高点定位于坐标为(0，473)的位置，轮胎的材料分布图及定位位置如图1所示。对轮胎材料分布图进行网格划分和赋予材料属性，在胎体橡胶、带束层胶和钢包橡胶中设置骨架增强，轮胎网格图和各个部件名称如图2所示，各个部件的材料属性数值如表1所示。本实施例采用abaqus通用有限元计算程序进行计算，所有橡胶材料单元采用类型为CGAX4H的轴对称单元，所有骨架材料单元采用类型为sfmgax1的轴对称单元。实际轮辋曲线如图2所示。
表1轮胎各部件材料属性
Figure BDA0002368648280000051
Figure BDA0002368648280000061
第二步，收缩钢丝圈。给轮胎左侧钢丝圈施加向上3mm和向右3mm位移，给右侧钢丝圈施加向上3mm和向左3mm位移，收缩结果如图3所示。
第三步，胎圈与轮辋接触部位如图4所示，设置胎圈部位与轮辋的接触属性为法向硬接触，摩擦系数为0.7，设置内衬层内表面为施加充气载荷作用面，内衬层表面单元如图5所示；
第四部：给轮胎内部充以实际气压0.9MPa，方向垂直于内衬层内表面单元，此时轮胎会膨胀，胎圈与轮辋接触，胎面变形，膨胀到平衡形状，如图6所示；
第五步：对轮胎进行三维负载分析。将第四步充气后的二维仿真模型扫略360度形成三维轮胎仿真模型，如图7所示。建立二维平直刚体模型作为路面(在x-y平面)，路面模型的长度为315.33mm，宽度为262mm(行驶面宽度为252mm)。并设置轮胎胎面表面与路面的接触属性为法向硬接触，摩擦系数为0.8。将路面模型放于轮胎模型正下方，与轮胎表面距离为1mm，使轮胎中心线与路面中心线对齐，如图8所示。将轮胎轮辋固定，只保留路面的z向自由度，给路面施加实际承载的载荷3.75吨(37500牛顿)，方向朝向轮胎一侧，使路面与轮胎接触，轮胎产生变形，如图9所示；
第六步：数据处理。提取分析过程中的三组数据点(不同载荷和与之对应的下沉量)，分别为(10000,12)，(20000,21)和(3000,29)，将三组数据点带入到公式(1)中，计算获得a为-0.5232，b为37.9654，c为630.6546，载荷与轮胎下沉量的关系式为：
F＝0.1744x3+18.9827x+630.6546x
因此刚度计算公式为：
K＝0.5232x2+37.9654x+630.6546
其中K为轮胎刚度。
本实施例计算的载荷与下沉量曲线与实验结果对比如图10所示，本实施例计算的刚度与下沉量曲线与实验结果对比如图11所示，计算结果与测试结果吻合度很好，证明了本发明方法的有效性。从测试结果可以看出，刚度随轮胎下沉量变化明显，如果以两点取斜率计算刚度，则轮胎刚度计算数值为1000左右，与图11中测试结果相比较可知计算误差很大，证明了本申请专利的创新性。
利用本申请专利方法获得刚度仅需1-3小时，而制造轮胎并进行测试则需要至少7天，效率明显提升，并且十分准确。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种子午线轮胎静态径向刚度快速预测方法，其步骤为：
第一步：对轮胎的材料分布图进行网格划分和分配材料：根据轮胎尺寸参数对材料分布图进行定位，使其最高点与轮胎外半径相同，对材料分布图进行网格划分和赋予材料属性；
第二步：收缩钢丝圈：通过给轮胎左侧钢丝圈施加向上和向右位移，给右侧钢丝圈施加向上和向左位移，达到收缩胎圈的目的；
第三步：设置轮胎模型的边界条件：设置胎圈部位与轮辋的接触属性，设置内衬层内表面为施加充气载荷作用面；
第四部：给轮胎内部充以实际气压，方向垂直于内衬层内表面单元，此时轮胎会膨胀，胎圈与轮辋接触，胎面变形，膨胀到平衡形状；
第五步：对轮胎进行三维负载分析：将第四步充气后的二维仿真模型扫略360度形成三维轮胎仿真模型，建立二维平直刚体模型作为路面，将路面模型放于轮胎模型正下方，与轮胎表面距离为1mm，使轮胎中心线与路面中心线对齐，将轮胎轮辋固定，只保留路面的z向自由度，给路面施加实际承载的载荷，方向朝向轮胎一侧，使路面与轮胎接触，轮胎产生变形；
第六步：数据处理，得到轮胎的静态径向刚度；
所述数据处理为：提取分析过程中的三组数据点；将三组数据点带入到如下轮胎载荷与下沉量关系模型中，
Figure FDA0003626873740000021
其中F为轮胎载荷，x为轮胎下沉量，a、b、c为模型参数，通过提取的三组数据即可计算获得模型参数a、b和c的数值，即获得模型参数，对公式(1)求导，即可获得轮胎刚度随下沉量的关系：
K＝ax2+bx+c (2)
其中K为轮胎刚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述网格划分划分为四边形单元或三角形单元。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中带束层、胎体和其他增强材料部件为四边形单元。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一步中，所有单元设置为轴对称属性。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一步中，在胎体橡胶、带束层胶和钢包橡胶中设置骨架增强。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三步中，胎圈部位与轮辋的接触属性主要包括法向接触属性和摩擦系数。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料分布图为包含轮胎断面几何信息的CAD图形文件。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述CAD图形文件包括轮胎的外轮廓形状，内轮廓形状，内部橡胶部件形状和带束层形状CAD图形文件。
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