CN111460616B - 一种轮胎仿真设计方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轮胎仿真设计方法，具体为全钢子午线（TBR）轮胎带束层的仿真设计方法，不仅考虑工艺参数膨胀率对轮胎性能的影响，在仿真的过程中应用带束层上升方程，也考虑了不同预应变零度带束层本构曲线模型对轮胎性能的影响。
Description
技术领域
本发明属于轮胎设计方法领域，具体涉及一种全钢子午线（TBR）轮胎带束层的仿真设计方法。
背景技术
由于全钢子午线轮胎的负荷大，轮胎肩部、胎圈位置损坏现象频发，而我国运输车辆的轮胎通常在超负荷、气压高和偏载等非正常情况下使用，轮胎的轮廓变形增大，易发生胎肩、胎圈周围部位（简称胎圈部位）早期破坏的迹象，因此解决轮胎耐久性损坏是企业亟待解决的核心技术问题。
子午线轮胎的结构特点中带束层是核心问题，由于带束层作为子午胎的主要受力部件，很大程度决定了轮胎的强度和轮廓等，它的设计和材料对轮胎的耐磨、稳定和舒适性起决定作用。轮胎结构设计的关键在于让各部位尤其是薄弱位置的应力应变减小，或者避免较大的应力集中问题的出现。由于帘线与橡胶的模量差别较大，因此帘线-橡胶的变形协调是结构设计应该考虑的重要因素。
轮胎成型过程中，先把带束层等部件贴于带束鼓之上，此时带束层等均为平直几何构型。当轮胎硫化时，由于内部高压过热水或高压高温蒸汽的作用，使橡胶材料具有流动性。在压力作用下，胎面橡胶材料流入模具的花纹沟槽，此时带束层会发生膨胀，导致帘线间距发生变化。同时，由于胎面为弧形，在轮胎成型过程中，带束层会发生弯曲，进而导致角度变化。现有设计方法中没有充分考虑带束层膨胀效应和钢丝材料性能，导致仿真设计方法和实际情况有所差别。
发明内容
本发明考虑工艺参数膨胀率对轮胎性能的影响，在仿真设计的过程中引入了带束层上升方程这一重要参数，并建立了考虑0度带束层钢丝角度的轮胎有限元仿真计算方法，在实际应用中可以针对不同位置的变形情况，采用不同的结构设计准则来实现变形协调。并且发考虑了不同预应变零度带束层本构曲线模型对轮胎性能的影响。设计结果更切合实际。
由于胎面为弧形，在轮胎成型过程中，带束层会发生弯曲，进而导致角度变化，如所示轮胎成型时，先把带束层等部件贴于带束鼓之上，此时带束层等均为平直几何构型。当轮胎硫化时，由于内部高压过热水或高压高温蒸汽的作用，使橡胶材料具有流动性。在压力作用下，胎面橡胶材料流入模具的花纹沟槽，此时带束层会发生膨胀，导致帘线间距发生变化。同时，由于胎面为弧形，在轮胎成型过程中，带束层会发生弯曲，进而导致角度变化，如图1所示。
假设带束层部件从成型鼓到成品轮胎的过程中，骨材料有一定伸长，伸长率为ɛ，那么通过几何关系可知：
上式即为成型前后带束层角度变化关系。其中A1B1代表成品轮胎带束层帘线间距，L代表成品胎轮胎带束层帘线长度，d代表对帘线长度求微分；L0代表带束层帘线铺设长度； r代表轮胎设计半径；r0代表成型鼓半径；α代表成品轮胎带束层帘线与胎体的夹角；α0代表带束层帘线与胎体的夹角；φ代表成型鼓上胎体之间的夹角。
对于间距的变化关系，可以通过几何分析获得，如图2所示。
通过几何分析可知：
N为胎体钢丝的数量，s 0 和s分别为成型前后两根带束层帘线材料之间的间距，u代表成型鼓上铺设胎体间距。通过膨胀率、成型鼓直径和部件厚度即可实现考虑带束层膨胀效应的仿真模拟。
带束层钢丝特性对轮胎的性能有着及其重要的影响，轮胎中所用钢丝材料一般可分为普通钢丝和高伸张钢丝，钢丝的宏观结构可用捻距和捻角来标识，如图3所示。
普通钢丝的捻距较大，捻角较小，高伸张钢丝则反之。当钢丝承受拉力时，较大捻距和较小捻角的钢丝，由于其结构变形较小，当应变较小时便能承受较大的拉力，而高伸张钢丝承受拉力时先发生结构变形，变形趋势为捻距增大，捻角减小，这样整个钢丝结构中的细丝才能更充分的承受拉伸应力。
普通钢丝一般应用于常规带束层中（如1#、2#和3#等带束层），而高伸张钢丝一般应用于零度带束层中，如图4所示，典型的普通钢丝和高伸张钢丝的拉伸曲线如图5所示，由图5可知，普通钢丝的拉伸曲线比较陡峭，而高伸张钢丝的拉伸曲线具有一较平坦段，即当承受约50N拉力时其伸长比可达约2.3%，当应力继续增大，拉力曲线斜率明显增大，而普通钢丝的最大拉伸伸长比只有2.3%左右。高伸长钢丝具有的这种独特的拉伸特性对轮胎的性能影响很大。传统的轮胎进行性能仿真分析一般没有考虑高伸张钢丝的这一特性，采用线弹性本构模型来表征钢丝的力学行为，由此导致结果不准确。为了解决上述结果不准确的问题，需要考虑零度带束层的预应变对性能仿真结果的影响，通过对带束层钢丝拉伸曲线进行平移处理（将钢丝拉伸曲线的预应变部分数值去除）可实现此功能。
轮胎在硫化后钢丝材料具有一定的预应变释放。因此在分析轮胎充气和变形时，
必须考虑预应变对轮胎拉伸曲线的影响。成品轮胎中钢丝材料的预应变可由下式计算，
。
式中，ɛ 0 为硫化前后钢丝材料的预应变，d 0 为带束鼓上零度带束层的半径，d v 为成品轮胎中零度带束层的半径。
附图说明
图1为成型鼓带束层的结构参数。
图2是成型后带束层结构示意图。
图3是骨架材料的距离关系示意图。
图4 是钢丝材料的捻距（hw）和捻角（a）示意图。
图5 是普通带束层和零度带束层。
图6 是普通钢丝和高伸张钢丝的拉伸曲线对比。
图7 是不通预应变钢丝拉伸应力应变曲线。
图8是带束层膨胀效应对轮胎接地印痕的影响。
图9是不同钢丝膨胀率对轮胎接地印痕的影响。
具体实施方式
假设带束层部件从成型鼓到成品轮胎的过程中，骨材料有一定伸长，伸长率为ɛ，导出成型前后带束层角度变化关系公式如下：
对于间距的变化关系，如图2、图3所示几何分析图。
N为钢丝的数量，s 0 和s分别为成型前后两根骨架材料之间的间距。通过膨胀率、成型鼓直径和部件厚度即可实现考虑带束层膨胀效应的仿真模拟。
将参数导入，通过处理软件TYABAS 3.0形成二维结构图进一步转化为三维仿真模型，对比试验使用压力毯测试实际轮胎压力，进行比对分析，轮胎均为三层带束层结构，结果如图8所示，左图为未考虑带束层膨胀效应，由此导致带束层边缘的箍紧力较实际大，体现为接地印痕边缘长度较小；中间图为考虑带束层膨胀效应的轮胎接地印痕，与左图对比可知，其边缘接地长度较大，已经超过接地印痕的中心长度，这是由于上述带束层边缘膨胀变大，降低其箍紧能力；右图为实际轮胎压力毯测试结果，通过对比可知，中图与实际更加吻合，说明考虑带束层膨胀效应的轮胎性能仿真方法更加合理。
为了验证钢丝材料特性对轮胎性能的影响，选取典型零度带束层结构轮胎，分别
采用不同预应变（如图7）的高伸长钢丝拉伸特性曲线对轮胎进行分析，成品轮胎中钢丝材
料的预应变可由下式计算，
从图中可知，随着钢丝材料预应变值的增大，
钢丝拉伸应力-应变曲线的平坦阶段缩短。将图7中不同预应变下的钢丝特性带入至相同的
轮胎仿真模型进行计算，获得印痕如图9所示。结果可见，带束层边缘膨胀变大导致的肩部
箍紧能力降低，接地印痕边部变长，大于接地中心长度，带束层膨胀率在轮胎仿真方法应用
中具有合理性。随着钢丝材料预应变数值的增大，接地印痕边缘长度逐渐减小，印痕从明显
的“蝴蝶形”转变为近似矩形。
上述附图和实施例并不构成对本发明的保护范围的限定，本领域技术人员可以根据上述说明对本发明进行各种变化和应用。
Claims (4)
1.一种全钢子午线（TBR）轮胎带束层的仿真设计方法，其特征在于对带束层进行有限元分析，计算带束层角度变化关系，在仿真设计的过程中引入了带束层上升方程参数和工艺参数膨胀率；其中：
带束层角度变化关系以如下公式计算：
其中A1B1代表成品轮胎带束层帘线间距，L代表成品胎轮胎带束层帘线长度，d代表对帘线长度求微分；L0代表带束层帘线铺设长度； r代表轮胎设计半径；r0代表成型鼓半径；α代表成品轮胎带束层帘线与胎体的夹角；α0代表带束层帘线与胎体的夹角；φ代表成型鼓上胎体之间的夹角；骨架材料的伸长率为ε。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于带束层为零度带束层，含有高伸张钢丝。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于考虑了钢丝材料特性，并引入钢丝材料的预应变参数。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于预应变参数可由下式计算，
，其中ɛ 0 为硫化前后钢丝材料的预应变，d 0 为带束鼓上零度带束层的半径，d v 为成品轮胎中零度带束层的半径。
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