CN115391853A - 一种轮胎裂纹路径的预测方法及装置 - Google Patents

一种轮胎裂纹路径的预测方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN115391853A
CN115391853A CN202211045225.XA CN202211045225A CN115391853A CN 115391853 A CN115391853 A CN 115391853A CN 202211045225 A CN202211045225 A CN 202211045225A CN 115391853 A CN115391853 A CN 115391853A
Authority
CN
China
Prior art keywords
crack
tire
unit
path
predicting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211045225.XA
Other languages
English (en)
Inventor
张海燕
左敏
郑强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN202211045225.XA priority Critical patent/CN115391853A/zh
Publication of CN115391853A publication Critical patent/CN115391853A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • B60C99/006—Computer aided tyre design or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Tires In General (AREA)

Abstract

本发明公开了一种轮胎裂纹路径的预测方法，包括：步骤1、有限元模型的建立；步骤2、对二维有限元模型进行数据处理；步骤3、对二维有限元模型旋转成三维模型，对三维模型进行静力学仿真分析，获得对应的分析结果；步骤4、筛选出与裂纹单元共用节点的关联网格单元，并提取关联网格单元内的应变值；步骤5、以易损指数最高的关联网格单元作为易损单元，并与裂纹单元进行合并获得新的裂纹单元，同时将易损单元从网格单元集中删除；步骤6、重复上述步骤，直至满足迭代终止条件，获得由裂纹单元构成的裂纹扩展路径。本发明还提供了一种预测轮胎裂纹路径装置。本发明提供的方法无需输入轮胎附加材料参数，即可快速、准确的预测轮胎裂纹扩展路径。

Description

一种轮胎裂纹路径的预测方法及装置
技术领域
本发明属于轮胎技术领域，尤其涉及一种轮胎裂纹路径的预测方法及装置。
背景技术
随着汽车工业的发展和环保要求的不断提高，对轮胎寿命的要求越来越高。轮胎寿命主要分为磨损寿命和损坏寿命，磨损寿命是指轮胎胎面花纹部分磨光造成轮胎寿命终结，而达到磨损寿命是轮胎设计的主要追求目标。然而，设计不合理或工艺制造问题等造成轮胎在达到磨损寿命之前甚至在使用早期报废，则对应的是损坏寿命，通常使用寿命较短，可能存在仅使用几千公里就报废的情况，这不仅造成资源的浪费，也严重影响车辆行驶的安全性。
子午线轮胎的破坏一般分为两个阶段：裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段。裂纹萌生阶段主要发生在钢丝、尼龙等增强材料的端点位置，裂纹萌生寿命占轮胎损坏寿命的一小部分，大约20％；
而裂纹扩展阶段占约80％，裂纹扩展具有方向性，当裂纹向轮胎外表面扩展时，寿命通常较短，且易引发爆胎等严重事故。而当裂纹向轮胎内部扩展时，寿命往往大于向外扩展。
因此，在轮胎设计阶段，如果能提前预测裂纹扩展路径，避免裂纹向外表面扩展，会显著提高轮胎的使用寿命。
对于轮胎裂纹扩展路径的预测方法主要有实验法和仿真法。实验法是目前轮胎企业主要的裂纹扩展路径预测手段，需要在轮胎设计并加工完成后进行整胎测试，但耗时长，投入成本大。而仿真法成本低，周期短，已有的仿真方法主要是虚拟裂纹闭合技术，等效区域围道积分和开裂能密度，除常规材料本构模型参数外，还需要输入材料的疲劳特性参数、热学参数。对于橡胶材料而言，这些参数很难准确测得，因此这些方法难以直接应用于轮胎裂纹扩展路径的预测。
专利文献CN104778313A公开了一种轮胎疲劳寿命评价及预测方法，包括：有限元模型的建立、有限元模型的计算及耐久工况仿真、应变能密度梯度的计算及绘制应变能密度梯度二维矢量图和评价及预测轮寿命。该方法采用疲劳仿真，针对不同种类的轮胎需要分别输入对应的材料参数才能进行计算。
专利文献CN113255847A公开了一种基于生成对抗网络的轮胎磨损程度预测方法，包括：S1对拍摄的轮胎侧面照片进行预处理；S2利用IST-GAN网络模型框架将S1处理后的轮胎侧面图像重构为轮胎正面图像；S3利用TWP预测模型框架对转换后的轮胎正面图像进行轮胎磨损程度的预测，得出相应的预测结论。该仅能用于轮胎磨损程度的预测，无法实现裂纹拓展的预测。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种轮胎裂纹路径的预测方法，该方法无需轮胎附加材料参数的输入，仅需几轮静力学迭代计算即可获得轮胎的裂纹扩展路径预测结果。
一种轮胎裂纹路径的预测方法，包括：
步骤1、有限元模型的建立：根据轮胎断面的材料分布图建立几何模型，并对几何模型进行网格划分，获得对应的二维有限元模型与网格单元集；
步骤2、对所述二维有限元模型进行数据处理，所述数据处理包括将目标分析区域内增强材料端点延伸方向上的第一个网格单元设为裂纹单元，并将所述裂纹单元从网格单元集中删除；
步骤3、对步骤2数据处理后的二维有限元模型旋转成三维模型，根据预设工况设定气压与荷载，对所述三维模型进行静力学仿真分析，获得对应的分析结果；
步骤4、根据所述分析结果，筛选出与所述裂纹单元共用节点的关联网格单元，并提取关联网格单元的应变值；
步骤5、基于步骤4获得的应变值，计算所述关联网格单元对应的易损指数，以易损指数最高的关联网格单元作为易损单元，将所述易损单元与所述裂纹单元进行合并获得新的裂纹单元，同时将易损单元对应的关联网格单元从所述网格单元集中删除；
步骤6、重复步骤3至步骤5，直至满足迭代终止条件，获得由裂纹单元构成的裂纹扩展路径。
本发明根据网格单元对应的易损指数进行筛选，并将与裂纹单元合并的网格单元进行删除，避免重复计算的工作，从而提高迭代计算速度和真实性。
优选的，所述目标分析区域网格划分的尺寸范围为0.2～2mm，从而提高仿真结果的准确度。
具体的，所述步骤2中的待分析区域包括胎肩带束层端点区域，胎圈钢丝包布以及胎体反包端点区域。
优选的，所述删除包括将网格单元的坐标数据与识别标签进行删除，从而避免已被合并的网格单元被重复计算，影响分析结果的真实性。
优选的，所述步骤3中的应变值包括网格单元内zx方向的剪应变分量与zy方向的剪应变分量，所述z方向为轮胎周向，所述x方向为轮胎径向，所述y方向为轮胎轴向。
优选的，所述步骤3中的易损指数的函数表达式如下：
Figure BDA0003822145110000031
式中，Δγzx表示单元在外向法向平行于z轴的平面的x方向上作用的剪应变幅值，Δγzy表示单元在外向法向平行于z轴的平面的y方向上作用的剪应变幅值。
具体的，所述步骤5中的迭代终止条件为已有裂纹单元构成的路径长度达到5～10mm。
本发明还提供了一种预测轮胎裂纹路径装置，包括计算机存储器、计算机处理器以及存储在所述计算机存储器中并可在所述计算机处理器中执行的计算机程序，所述计算机存储器执行上述的轮胎裂纹路径的预测方法。
所述计算机处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：输入待计算轮胎二维有限元数据，通过轮胎裂纹路径的预测方法进行分析，输出出现概率最大的裂纹扩展路径。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)采用“删除”被选中的网格单元，与裂纹实际发生现象相吻合，避免失效网格单元影响计算结果的真实性。
(2)采用易损指数判定网格单元的易损程度，只需要进行三维静力学仿真，无需进行疲劳仿真，无需输入附加材料的参数，即可预测获得对应的裂纹扩展路径。
附图说明
图1为本发明提供的一种轮胎裂纹路径的预测方法的流程示意图；
图2为本实施例提供的轮胎断面的材料分布图；
图3为本实施例提供的轮胎的二维有限元网络；
图4为本实施例提供的轮胎胎圈钢丝包布端点附近单元编号图；
图5为本实施例提供的轮胎的三维静负荷工况有限元模型；
图6为本实施例提供的轮胎剪切应变幅值；
图7为本实施例提供的轮胎胎圈钢丝包布端点裂纹扩展路径示意图。
具体实施方式
为了证明本发明提供方法的有效性，以315/60R22.5全钢载重子午线产品为例，设定胎圈包布端点区域破坏为主要的分析区域。
如图1所示，一种轮胎裂纹路径的预测方法，包括：
步骤1、如图2所示，根据轮胎断面的材料分布图建立几何模型，对几何模型进行网格划分，网格尺寸5-8mm，对胎圈钢丝包布端点区域网格细化，尺寸约1mm，将增强材料端点延伸方向第一个单元删除，形成空单元，作为裂纹起点，对各部件材料赋予材料属性，建立轮胎二维有限元模型；
如图3所示，为该轮胎二维有限元模型的示意图。
步骤2、如图4所示，对二维有限元模型进行数据处理：将目标分析区域内增强材料端点延伸方向上的第一个网格单元(编号489)设为裂纹单元，并将该网格单元(编号489)从网格单元集中删除；
步骤3、如图5所示，对二维有限元模型加载轮辋并充气(气压900kPa)，进行充气分析，在二维充气分析基础上将二维模型旋转成三维模型，按照实际使用工况设置约束和载荷(气压900kPa，载荷3750kg)，进行静态负荷下的受力分析；
其中，橡胶部分选用CGAX3H和CGAX4H单元模拟，增强材料部分选用SFMGAX1单元模拟；
如图6所示，受力分析结果中轮胎剪切应变幅值图。
步骤4、根据受力分析结果，筛选出与裂纹单元共用节点的关联网格单元，并提取所述关联网格单元的应变值：
提取第一步中裂纹单元附近与裂纹单元共用节点的单元(图5中的单元编号470、471、472、488、490、506、507、508)的zx方向、zy方向应变值，分别记为γzx和γzy。
步骤5、基于步骤4获得的应变值，计算网格单元对应的易损指数：
Figure BDA0003822145110000051
Δγzx＝MAX(γzx)-MIN(γzx)
Δγzy＝MAX(γzy)-MIN(γzy)
式中，Δγzx表示单元在外向法向平行于z轴的平面的x方向上作用的剪应变幅值，
Δγzy表示单元在外向法向平行于z轴的平面的y方向上作用的剪应变幅值；
以易损指数最高的关联网格单元作为易损单元，将易损单元与裂纹单元进行合并获得新的裂纹单元，同时将易损单元对应的关联网格单元从网格单元集中删除；
步骤6、重复步骤3至步骤5，直至满足迭代终止条件，获得由裂纹单元构成的裂纹扩展路径：
第一轮的易损指数η计算：
其计算结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003822145110000052
其中，单元490易损指数最大，因此将单元490视为易损单元与裂纹单元进行合并，同时将单元490从网格单元集中删除；
后续单元删除：
提取计算结果中与两个空单元共用节点的单元(470、471、472、473、488、491、506、507、508、509)的zx方向、zy方向应变值。
第二次计算易损指数η计算：
其计算结果如表2所示。
表2
Figure BDA0003822145110000061
其中，单元472易损指数最大，因此将单元472视为易损单元与新的裂纹单元进行合并，同时将单元472从网格单元集中删除；
第二次计算易损指数η计算：
其计算结果如表3所示。
表3
Figure BDA0003822145110000062
其中，单元473易损指数最大，因此将单元473视为易损单元与新的裂纹单元进行合并，同时将单元473从网格单元集中删除；
如图7所示，重复计算直至易损单元长度达到约6mm，停止计算，最易损单元依次为：490→472→473→474→475→457→458。
本实施例还提供了一种预测轮胎裂纹路径装置，包括计算机存储器、计算机处理器以及存储在计算机存储器中并可在计算机处理器中执行的计算机程序，计算机存储器执行上述轮胎裂纹路径的预测方法。
计算机处理器执行计算机程序时实现以下步骤：输入待计算轮胎二维有限元数据，通过轮胎裂纹路径的预测方法进行分析，输出出现概率最大的裂纹扩展路径。

Claims (8)

1.一种轮胎裂纹路径的预测方法，其特征在于，包括：
步骤1、有限元模型的建立：根据轮胎断面的材料分布图建立几何模型，并对几何模型进行网格划分，获得对应的二维有限元模型与网格单元集；
步骤2、对所述二维有限元模型进行数据处理，所述数据处理包括将目标分析区域内增强材料端点延伸方向上的第一个网格单元设为裂纹单元，并将所述裂纹单元从网格单元集中删除；
步骤3、对步骤2数据处理后的二维有限元模型旋转成三维模型，根据预设工况设定气压与荷载，对所述三维模型进行静力学仿真分析，获得对应的分析结果；
步骤4、根据所述分析结果，筛选出与所述裂纹单元共用节点的关联网格单元，并提取关联网格单元的应变值；
步骤5、基于步骤4获得的应变值，计算所述关联网格单元对应的易损指数，以易损指数最高的关联网格单元作为易损单元，将所述易损单元与所述裂纹单元进行合并获得新的裂纹单元，同时将易损单元对应的关联网格单元从网格单元集中删除；
步骤6、重复步骤3至步骤5，直至满足迭代终止条件，获得由裂纹单元构成的裂纹扩展路径。
2.根据权利要求1所述的轮胎裂纹路径的预测方法，其特征在于，所述目标分析区域网格划分的尺寸范围为0.2～2mm。
3.根据权利要求1所述的轮胎裂纹路径的预测方法，其特征在于，所述步骤2中的目标分析区域包括胎肩带束层端点区域，胎圈钢丝包布以及胎体反包端点区域。
4.根据权利要求1所述的轮胎裂纹路径的预测方法，其特征在于，所述删除包括将网格单元的坐标数据与识别标签进行删除。
5.根据权利要求1所述的轮胎裂纹路径的预测方法，其特征在于，所述步骤3中的应变值包括网格单元内zx方向的剪应变分量与zy方向的剪应变分量，所述z方向为轮胎周向，所述x方向为轮胎径向，所述y方向为轮胎轴向。
6.根据权利要求1所述的轮胎裂纹路径的预测方法，其特征在于，所述步骤3中的易损指数的函数表达式如下：
Figure FDA0003822145100000021
式中，Δγzx表示单元在外向法向平行于z轴的平面的x方向上作用的剪应变幅值，Δγzy表示单元在外向法向平行于z轴的平面的y方向上作用的剪应变幅值。
7.根据权利要求1所述的轮胎裂纹路径的预测方法，其特征在于，所述步骤5中的迭代终止条件为已有裂纹单元构成的路径长度达到5～10mm。
8.一种预测轮胎裂纹路径装置，包括计算机存储器、计算机处理器以及存储在所述计算机存储器中并可在所述计算机处理器中执行的计算机程序，其特征在于，所述计算机存储器执行如权利要求1-7任一所述的轮胎裂纹路径的预测方法；所述计算机处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：输入待计算轮胎二维有限元数据，通过轮胎裂纹路径的预测方法进行分析，输出出现概率最大的裂纹扩展路径。
CN202211045225.XA 2022-08-30 2022-08-30 一种轮胎裂纹路径的预测方法及装置 Pending CN115391853A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211045225.XA CN115391853A (zh) 2022-08-30 2022-08-30 一种轮胎裂纹路径的预测方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211045225.XA CN115391853A (zh) 2022-08-30 2022-08-30 一种轮胎裂纹路径的预测方法及装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115391853A true CN115391853A (zh) 2022-11-25

Family

ID=84121867

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211045225.XA Pending CN115391853A (zh) 2022-08-30 2022-08-30 一种轮胎裂纹路径的预测方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115391853A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rugsaj et al. Proper radial spokes of non-pneumatic tire for vertical load supporting by finite element analysis
Behroozi et al. Finite element analysis of aircraft tyre–Effect of model complexity on tyre performance characteristics
US6634236B2 (en) Method and article of manufacture for estimating material failure due to crack formation and growth
Baranowski et al. Assessment of mechanical properties of offroad vehicle tire: Coupons testing and FE model development
Alkan et al. Finite element modeling of static tire enveloping characteristics
CN111191397B (zh) 一种子午线轮胎静态径向刚度快速预测方法
US7469200B2 (en) Method and apparatus for predicting belt separation failure in aging tires by computer simulation
JP2004093530A (ja) 複合材の力学特性シミュレーション方法
CN114297891A (zh) 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
Ballo et al. Numerical and experimental study of radial impact test of an aluminum wheel: towards industry 4.0 virtual process assessment
CN115391853A (zh) 一种轮胎裂纹路径的预测方法及装置
Kennedy et al. Radial truck tire inflation analysis: theory and experiment
JP4278991B2 (ja) タイヤモデル作成方法、タイヤ特性予測方法、タイヤモデル作成装置、タイヤ特性予測装置およびタイヤモデル作成方法を実行するプログラム
JP5104042B2 (ja) タイヤの性能予測方法及びタイヤの性能予測用コンピュータプログラム、並びにタイヤの設計方法
CN106339542B (zh) 一种轮胎的整体带束层安全倍数计算方法
JP6039210B2 (ja) タイヤの耐久性の予測方法
JP2003094916A (ja) 複合体の有限要素モデル作成方法及び装置
JP2007283859A (ja) タイヤ性能予測方法、及びプログラム
Özüpek et al. Finite element method for the study of belt edge delaminations in truck tires
Shiraishi et al. Developing FE-Tire model library for durability and crash simulations
Yintao et al. Finite element modeling for steel cord analysis in radial tires
CN116522510B (zh) 一种用于车轮性能仿真的轮胎材料参数的反演方法及系统
KR20240146744A (ko) 타이어의 코드 층간 거동 분석을 위한 후처리 장치
JP6539953B2 (ja) 空気入りタイヤのシミュレーション方法及びシミュレーション装置
JP2013075654A (ja) タイヤの耐久性評価方法及びこれを用いた設計方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination