CN114297891A - 一种胎面弯曲能量和压缩能量占比的计算方法、设备和计算机程序 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及轮胎计算机智能设计技术领域，尤其涉及一种胎面弯曲能量和压缩能量占比的计算方法、设备和计算机程序。该方法包括以下的步骤：1）建立轮胎有限元模型，进行二维轴对称充气分析；2）在充气分析的基础上，使二维轴对称模型旋转一周，生成轮胎三维模型，在距离轮胎表面1mm的位置放置刚性平直路面，固定轮胎轮辋，对刚性路面施加额定载荷，进行轮胎负载分析，输出胎面储存的应变能总和Ws；3）使轮胎的带束层、胎体及冠带层含有骨架材料的部件保持步骤2）中变形后的位置不变，卸载路面受力，输出计算后胎面储存的应变能Wb；4）利用步骤2）计算获得的Ws减去步骤3）中获得的Wb，得到Wc。本发明实现对胎面部位在不同变形模式下的能量细化分析，为降低轮胎滚动阻力提供分析手段。
Description
技术领域
本发明涉及轮胎计算机智能设计技术领域，尤其涉及一种胎面弯曲能量和压缩能量占比的计算方法、设备和计算机程序。
背景技术
随着绿色清洁能源汽车正蓬勃发展，轮胎作为汽车的必备组成部件，其在服役过程中由于本身橡胶材料的粘弹性质会引起滚动能量损失，即滚动阻力，滚动阻力将消耗一定数量的电能，降低汽车的行驶里程，低滚动阻力轮胎早已成为轮胎行业的共识性追求。影响轮胎滚动阻力的因素主要有材料、结构、路面条件和使用工况等，如何调整结构设计以使轮胎的滚动阻力最小是各个轮胎企业的关键核心技术。轮胎滚动时胎面的能量损失占整个轮胎滚动阻力的40％～80％，是轮胎所有部件中占比最多的部件，通过调控胎面材料内部的能量分配能显著降低轮胎的滚动阻力。胎面材料的变形主要分为压缩变形和弯曲变形，由于轮胎的滚动阻力可以通过储存的能量与橡胶材料的损耗正切的乘机计算，而橡胶材料的损耗正切一般为材料的固有属性，因此胎面材料储存能量可以作为简便的滚动阻力大小评价指标，获得两种变形下各占能量大小可以分析不同结构参数对轮胎胎面滚动阻力的影响，为轮胎设计工程师指明结构的改进方向。然而，目前测试方法只能获得整个轮胎的接地印痕、滚动阻力和刚度等特性，无法获得具体的胎面变形能量，而仿真方法则较多关注轮胎整体的滚动阻力，而没有区分胎面不同变形模式对储存能量的影响，导致轮胎设计工程师在改进轮胎结构时缺乏指导依据。
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，即目前测试方法只能获得整个轮胎的接地印痕、滚动阻力和刚度等特性，无法获得具体的胎面变形能量，而仿真方法则较多关注轮胎整体的滚动阻力，而没有区分胎面不同变形模式对储存能量的影响，导致轮胎设计工程师在改进轮胎结构时缺乏指导依据。进而本发明提供一种胎面弯曲能量和压缩能量占比的计算方法，实现对胎面部位在不同变形模式下的能量细化分析，为降低轮胎滚动阻力提供分析手段。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种胎面弯曲能量和压缩能量占比的计算方法，该方法包括以下的步骤：
1)建立轮胎有限元模型，进行二维轴对称充气分析：对轮胎的设计图纸进行网格划分，赋予材料属性，在轮胎内部边界层施加额定的充气压力，进行充气分析；
2)在充气分析的基础上，使二维轴对称模型旋转一周，生成轮胎三维模型，在距离轮胎表面1mm的位置放置刚性平直路面，固定轮胎轮辋，对刚性路面施加额定载荷，进行轮胎负载分析，输出胎面储存的应变能总和Ws；
3)使轮胎的带束层、胎体及冠带层含有骨架材料的部件保持步骤2)中变形后的位置不变，卸载路面受力，即对刚性路面施加值为0的载荷，输出计算后胎面储存的应变能Wb，此应变能量即为弯曲变形产生的能量；
4)利用步骤2)计算获得的Ws减去步骤3)中获得的Wb，得到Wc，即为胎面部位由于压缩变形产生的应变能。
作为优选，所述的步骤1)对轮胎材料分布图进行网格划分，划分为三角形或四边形单元，骨架材料划分为2节点一维单元，并对各部件材料赋予材料属性建立轮胎有限元模型。
作为优选，所述的步骤1)给轮胎内衬层内表面施加0.25MPa气压，利用Abaqus软件进行充气分析。
作为优选，所述的步骤2)在二维充气分析的基础上，将轮胎断面旋转360度，并在周向进行断面划分，将一周分为74个断面，将轮胎轮辋固定，给路面施加载荷，使路面向轮辋方向移动，进行负载分析。
进一步，本发明还公开了所述方法获得的胎面部位由于压缩变形产生的应变能Wc作为变形模式对轮胎滚动阻力影响的指标。
进一步，本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现上述任意一个技术方案所述方法的步骤。
进一步，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序或指令，该计算机程序或指令被处理器执行时实现上述任意一个技术方案所述方法的步骤。
进一步，本发明还公开了一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，该计算机程序或指令被处理器执行时实现上述任意一个技术方案所述方法的步骤。
本发明由于采用了上述的技术方案，实现对胎面部位在不同变形模式下的能量细化分析，为降低轮胎滚动阻力提供分析手段。
附图说明
图1为21550R15轮胎材料分布图；
图2为21550R15轮胎断面网格及材料部件；
图3为21550R15轮胎充气变形结果；
图4为21550R15轮胎三维周向网格划分结果；
图5为21550R15轮胎三维负载结果及方向标识；
图6为21550R15轮胎胎面弯曲变形；
图7为21550R15轮胎载荷施加时和卸载后的胎面变形；
图8为21550R15轮胎胎面部位接触应力；
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21550R15轮胎为例：
第一步，对轮胎材料分布图(图1)进行网格划分，划分为三角形或四边形单元(图2)，骨架材料划分为2节点一维单元，并对各部件材料赋予材料属性(表1)建立轮胎有限元模型，给轮胎内衬层内表面施加0.25MPa气压，利用Abaqus软件进行充气分析，结果如图3所示。
表1 21550R15轮胎各部件的材料属性
| 部件名称 | 材料模量(MPa) | 泊松比 | 密度(10-9t/mm<sup>3</sup>) | tanδ |
| 胎体 | 2 | 0.49 | 1 | 0.1 |
| 护胶 | 3 | 0.49 | 1 | 0.12 |
| 内衬层 | 2 | 0.49 | 1 | 0.14 |
| 基部胶 | 3.5 | 0.49 | 1 | 0.08 |
| 冠带层 | 3 | 0.49 | 1 | 0.13 |
| 第二带束层 | 3 | 0.49 | 1 | 0.12 |
| 第一带束层 | 3 | 0.49 | 1 | 0.12 |
| 胎面 | 4 | 0.49 | 1 | 0.16 |
| 胎侧 | 3 | 0.49 | 1 | 0.17 |
| 三角胶 | 8 | 0.49 | 1 | 0.15 |
| 钢丝圈 | 21000 | 0.3 | 7 | 0.0 |
| 冠带层骨架 | 1000 | 0.3 | 1.2 | 0.0 |
| 胎体骨架 | 2000 | 0.3 | 1.2 | 0.0 |
| 带束层骨架 | 100000 | 0.3 | 6 | 0.0 |
第二步，在二维充气分析的基础上，将轮胎断面旋转360度，并在周向进行断面划分，将一周分为74个断面(图4)，将轮胎轮辋固定，给路面施加5881N载荷，使路面向轮辋方向移动，进行负载分析(图5)，计算完成后，输出胎面部位储存的应变能总和Ws为1925mJ。
第三步，使轮胎的带束层、胎体及冠带层等含有骨架材料的部件保持第二步中变形后的位置不变，卸载路面受力，即对刚性路面施加值为0的载荷，此时胎面不受压缩力，只产生弯曲变形(如图6)，路面向远离轮辋方向移动了1.3mm，胎面同时发生回弹(如图7)，证明此时没有压缩接触产生，通过提取接触压力也可以证明此时胎面不受压缩(图8)，输出计算后的胎面储存的应变能Wb为1302mJ，此应变能量即为弯曲变形产生的能量；
第四步，利用第二步计算获得的Ws减去第三步中获得的Wb，得到Wc，即 Wc＝Ws-Wb＝1925mJ-1302mJ＝623mJ，为胎面压缩变形所产生的能量。
通过以上技术实现了计算轮胎胎面在不同变形模式时的能量，可以作为变形模式对轮胎滚动阻力影响的指标。
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)
1.一种胎面弯曲能量和压缩能量占比的计算方法，其特征在于该方法包括以下的步骤：
1）建立轮胎有限元模型，进行二维轴对称充气分析：对轮胎的设计图纸进行网格划分，赋予材料属性，在轮胎内部边界层施加额定的充气压力，进行充气分析；
2）在充气分析的基础上，使二维轴对称模型旋转一周，生成轮胎三维模型，在距离轮胎表面1mm的位置放置刚性平直路面，固定轮胎轮辋，对刚性路面施加额定载荷，进行轮胎负载分析，输出胎面储存的应变能总和Ws；
3）使轮胎的带束层、胎体及冠带层含有骨架材料的部件保持步骤2）中变形后的位置不变，卸载路面受力，即对刚性路面施加值为0的载荷，输出计算后胎面储存的应变能Wb，此应变能量即为弯曲变形产生的能量；
4）利用步骤2）计算获得的Ws减去步骤3）中获得的Wb，得到Wc，即为胎面部位由于压缩变形产生的应变能。
2.根据权利要求1所述的一种胎面弯曲能量和压缩能量占比的计算方法，其特征在于，步骤1）对轮胎材料分布图进行网格划分，划分为三角形或四边形单元，骨架材料划分为2节点一维单元，并对各部件材料赋予材料属性建立轮胎有限元模型。
3.根据权利要求1所述的一种胎面弯曲能量和压缩能量占比的计算方法，其特征在于，步骤1）给轮胎内衬层内表面施加0.25MPa气压，利用Abaqus软件进行充气分析。
4.根据权利要求1所述的一种胎面弯曲能量和压缩能量占比的计算方法，其特征在于，步骤2）在二维充气分析的基础上，将轮胎断面旋转360度，并在周向进行断面划分，将一周分为74个断面，将轮胎轮辋固定，给路面施加载荷，使路面向轮辋方向移动，进行负载分析。
5.权利要求1-4任意一项权利要求所述方法获得的胎面部位由于压缩变形产生的应变能Wc作为变形模式对轮胎滚动阻力影响的指标。
6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1-4任意一项权利要求所述方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序或指令，其特征在于，该计算机程序或指令被处理器执行时实现权利要求1-4任意一项权利要求所述方法的步骤。
8.一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，其特征在于，该计算机程序或指令被处理器执行时实现权利要求1-4任意一项权利要求所述方法的步骤。
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