CN116227279A - 一种全钢子午线轮胎钢丝圈安全倍数的计算方法、应用和软件产品 - Google Patents

一种全钢子午线轮胎钢丝圈安全倍数的计算方法、应用和软件产品 Download PDF

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侯丹丹
张春生
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Abstract

本发明涉及轮胎仿真设计技术领域，尤其涉及一种全钢子午线轮胎钢丝圈安全倍数的计算方法、应用和计算机软件产品。一种计算钢丝圈安全倍数的方法，该方法先画出材料分布图，然后划分网格，其中钢丝圈采用rebar单元，再进行有限元分析，计算出钢丝圈钢丝应力最大值，最后计算钢丝圈安全倍数，该方法可以更加准确表达钢丝圈安全倍数。

Description

一种全钢子午线轮胎钢丝圈安全倍数的计算方法、应用和软 件产品
技术领域
本发明涉及轮胎仿真设计技术领域，尤其涉及一种全钢子午线轮胎钢丝圈安全倍数的计算方法、应用和计算机软件产品。
背景技术
轮胎的胎圈承担着因内压产生的伸张力，还需克服行驶过程中的横向力，将外胎固定在轮辋上，胎圈部位质量对轮胎的负载能力与安全性能影响重大。因此胎圈需要有较高的强度和良好的耐疲劳性能。有研究表明，钢丝圈承受了约74%的充气压力，目前常用钢丝圈的安全倍数来表征钢丝圈的强度，在轮胎的结构设计中，通常是根据《橡胶工业手册第四分册 轮胎》与《子午线轮胎结构设计与制造技术》中所提供的公式来计算钢丝圈强度，此类计算方法认为钢丝圈的受力是均匀分布的。但轮胎在实际的使用情况中，钢丝圈的受力是不均匀的，且不同规格的轮胎受力分布也不相同，因此，根据钢丝圈的平均应力来计算安全倍数是不够准确，还会导致设计不合理。所以，提出一种能更加准确表达钢丝圈安全倍数的方法是非常有必要的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种计算钢丝圈安全倍数的方法，该方法先画出材料分布图，然后划分网格，其中钢丝圈采用rebar单元，再进行有限元分析，计算出钢丝圈钢丝应力最大值，最后计算钢丝圈安全倍数，该方法可以更加准确表达钢丝圈安全倍数。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种全钢子午线轮胎钢丝圈安全倍数的计算方法，其特征在于，该方法包括以下的步骤：
1）有限元网格划分和材料分配
使用AutoCAD软件绘制轮胎的材料分布图，并在该软件中进行网格划分，网格为四边形或三角形；为每个网格赋予相应的材料属性，使用骨架材料来表示包括带束、胎体和钢包的增强材料的增强作用；所有单元为轴对称属性；
2）胎圈模型
轮胎的有限元模型中的钢丝圈采用rebar单元模拟骨架结构对橡胶单元的加强作用，rebar直接定义在相应位置的橡胶实体单元中；
3）边界条件
选择对应的轮辋轮廓，设定胎圈部位外表面从属于轮廓面，设定摩擦系数；将内衬层内表面设定为充气作用面，方向垂直于内衬层内表面并指向轮胎内部，给定充气压力；将胎冠最上层单元格的外表面设定为与路面的接触面；
4）轮胎模型计算
采用ABAQUS进行有限元分析计算；先将钢丝圈收缩进轮辋，再给轮胎充以实际气压，轮胎膨胀至平衡状态；然后将二维的计算模型绕着轮胎的中心轴旋转360度形成三维仿真模型；建立二维的刚体路面模型，使路面的中心线与轮胎形式面中心线重合；将轮胎位置固定，给路面施加相应载荷，方向朝向轮胎，使轮胎与路面接触从而变形；
5）钢丝圈安全倍数计算
根据有限元仿真结果，读取钢丝圈钢丝应力的最大值σm，则钢丝圈的安全倍数K，
Figure SMS_1
；
6）钢丝圈应力分析方法对比
重复步骤1）至4），改变充气压力，进行有限元分析计算，读取钢丝圈钢丝应力的最大值σm，可得钢丝圈的最大应力σm随充气压力P的变化关系。
作为优选，该方法还包括将钢丝圈中每个单元的应力乘以该单元格的面积，然后相加，再除以钢丝圈的面积即可得到钢丝圈所受的平均应力σa。
进一步，本发明还公开了所述的一种全钢子午线轮胎钢丝圈安全倍数的计算方法在轮胎仿真中的应用。
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所述方法。
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所述方法。
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所述方法。
本发明由于采用了上述的技术方案，该方法先画出材料分布图，然后划分网格，其中钢丝圈采用rebar单元，再进行有限元分析，计算出钢丝圈钢丝应力最大值，最后计算钢丝圈安全倍数，该方法可以更加准确表达钢丝圈安全倍数。
附图说明
图1为有限元模型中钢丝圈的rebar单元示意图。
图2 为有限元模型中钢丝圈为实体单元示意图。
图3为钢丝圈应力随充气压力的变化图。
图4为钢丝圈钢丝的应力-应变曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清查、完整的描述，进而进一步解释发明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。给予本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
（1）有限元网格划分和材料分配
使用AutoCAD软件绘制12R22.5规格轮胎的材料分布图，并在该软件中进行网格划分，网格为四边形或三角形。为每个网格赋予相应的材料属性，使用骨架材料来表示带束、胎体和钢包等增强材料的增强作用。所有单元为轴对称属性。
（2）胎圈模型
轮胎的有限元模型中的钢丝圈采用rebar单元模拟骨架结构对橡胶单元的加强作用，rebar直接定义在相应位置的橡胶实体单元中，如图1所示。
（3）边界条件
设置轮胎计算模型的边界条件。选择对应的轮辋轮廓，设定胎圈部位外表面从属于轮廓面，设定摩擦系数。将内衬层内表面设定为充气作用面，方向垂直于内衬层内表面并指向轮胎内部，给定充气压力。将胎冠最上层单元格的外表面设定为与路面的接触面。
（4）轮胎模型计算
本实例采用ABAQUS进行有限元分析计算。先将钢丝圈收缩进轮辋，再给轮胎充以实际气压，轮胎膨胀至平衡状态。然后将二维的计算模型绕着轮胎的中心轴旋转360度形成三维仿真模型。建立二维的刚体路面模型，使路面的中心线与轮胎形式面中心线重合。将轮胎位置固定，给路面施加相应载荷，方向朝向轮胎，使轮胎与路面接触从而变形。
（5）钢丝圈安全倍数计算
根据有限元仿真结果，读取钢丝圈钢丝应力的最大值σm，则钢丝圈的安全倍数K
Figure SMS_2
（6）钢丝圈应力分析方法对比
重复步骤（1）至（4），改变充气压力，进行有限元分析计算，读取钢丝圈钢丝应力的最大值σm，可得钢丝圈的最大应力σm随充气压力P的变化关系。
常规的轮胎有限元分析中钢丝圈单元为实体单元，如图2，用此模型进行仿真计算，将钢丝圈中每个单元的应力乘以该单元格的面积，然后相加，再除以钢丝圈的面积即可得到钢丝圈所受的平均应力（σa）。
钢丝圈的最大应力和平均应力随充气压力的变化关系如图3所示。由图可以看出钢丝圈的钢丝的最大应力明显大于平均应力。根据各自的计算结果可以分别拟合出两个计算公式，表示钢丝圈钢丝最大应力（红色）和平均应力（蓝色）随充气压力的变化关系。
从图4的钢丝圈钢丝的应力-应变曲线可以看出，当钢丝圈钢丝的应力达到2000MPa时，钢丝已经是塑性形变，即可认为钢丝已经失效。当钢丝圈钢丝最大应力为2000MPa时（即红色公式中的y为2000），充气压力为4.15MPa。即当充气压力约为4.15MPa时，钢丝圈已经失效。根据图中蓝色公式计算，当钢丝圈钢丝最大应力为2000MPa时，充气压力为5.1MPa，即当充气压力位5.1 MPa时，钢丝圈才失效。但实际上，当充气压力位4.1MPa时，钢丝圈的某根钢丝已经失效，所以，根据钢丝圈平均应力计算安全倍数不太合理。应该根据钢丝圈钢丝应力最大值来计算钢丝圈的安全倍数。
以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施列，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种全钢子午线轮胎钢丝圈安全倍数的计算方法，其特征在于，该方法包括以下的步骤：
1）有限元网格划分和材料分配
使用AutoCAD软件绘制轮胎的材料分布图，并在该软件中进行网格划分，网格为四边形或三角形；为每个网格赋予相应的材料属性，使用骨架材料来表示包括带束、胎体和钢包的增强材料的增强作用；所有单元为轴对称属性；
2）胎圈模型
轮胎的有限元模型中的钢丝圈采用rebar单元模拟骨架结构对橡胶单元的加强作用，rebar直接定义在相应位置的橡胶实体单元中；
3）边界条件
选择对应的轮辋轮廓，设定胎圈部位外表面从属于轮廓面，设定摩擦系数；将内衬层内表面设定为充气作用面，方向垂直于内衬层内表面并指向轮胎内部，给定充气压力；将胎冠最上层单元格的外表面设定为与路面的接触面；
4）轮胎模型计算
采用ABAQUS进行有限元分析计算；先将钢丝圈收缩进轮辋，再给轮胎充以实际气压，轮胎膨胀至平衡状态；然后将二维的计算模型绕着轮胎的中心轴旋转360度形成三维仿真模型；建立二维的刚体路面模型，使路面的中心线与轮胎形式面中心线重合；将轮胎位置固定，给路面施加相应载荷，方向朝向轮胎，使轮胎与路面接触从而变形；
5）钢丝圈安全倍数计算
根据有限元仿真结果，读取钢丝圈钢丝应力的最大值σm，则钢丝圈的安全倍数K，
Figure QLYQS_1
；
6）钢丝圈应力分析方法对比
重复步骤1）至4），改变充气压力，进行有限元分析计算，读取钢丝圈钢丝应力的最大值σm，可得钢丝圈的最大应力σm随充气压力P的变化关系。
2.根据权利要求1所述的一种全钢子午线轮胎钢丝圈安全倍数的计算方法，其特征在于，该方法还包括将钢丝圈中每个单元的应力乘以该单元格的面积，然后相加，再除以钢丝圈的面积即可得到钢丝圈所受的平均应力σa。
3.根据权利要求1或2所述的一种全钢子午线轮胎钢丝圈安全倍数的计算方法在轮胎仿真中的应用。
4.一种计算机设备，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1-2任意一项权利要求所述方法。
5.一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1-2任意一项权利要求所述方法。
6.一种计算机程序产品，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1-2任意一项权利要求所述方法。
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