CN117933005A - 一种轮胎带束层安全倍数的仿真计算方法、应用和计算机程序 - Google Patents

一种轮胎带束层安全倍数的仿真计算方法、应用和计算机程序 Download PDF

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CN117933005A CN202311728569.5A CN202311728569A CN117933005A CN 117933005 A CN117933005 A CN 117933005A CN 202311728569 A CN202311728569 A CN 202311728569A CN 117933005 A CN117933005 A CN 117933005A
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徐晓鹏
侯丹丹
张誉镭
吕微雅
邸晶
黄继文
高翔
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Abstract

本发明涉及轮胎仿真设计技术领域,尤其涉及一种轮胎带束层安全倍数的仿真计算方法、应用和计算机程序。该方法包括以下的步骤:1)使用CAD画出轮胎材料图,然后进行网格建模,将2D模型导出;2)将2D模型旋转成3D模型;3)建立橡胶材料属性和钢丝材料属性,将钢丝单元嵌入对应的橡胶单元中;4)创建接触面和接触属性;5)设置接触属性;6)边界条件定义;7)仿真计算完成后,读取带束层所受应力S11数据,记录其整胎最大值S11max;8)然后查询该带束层所使用的钢丝的最小破断力F,横截面积为S,其最小破断应力A=F/S,有限元计算的安全倍数=A/S11max。该方法降低了轮胎带束层断裂风险,提高了轮胎的安全性和可靠性。

Description

一种轮胎带束层安全倍数的仿真计算方法、应用和计算机 程序
技术领域
本发明涉及轮胎仿真设计技术领域,尤其涉及一种轮胎带束层安全倍数的仿真计算方法、应用和计算机程序。
背景技术
全钢子午线轮胎是一种广泛应用于汽车和其他载重车辆的轮胎类型。它具有高强度、耐磨损和耐高温等优点,在现代交通运输中发挥着重要作用。然而,在使用全钢子午线轮胎时,带束层的断裂问题可能会导致整个胎冠炸裂进而爆胎,从而对车辆的安全性和性能产生不利影响。轮胎作为汽车结构的重要组成部分,其安全性在营运车辆交通安全中的位置尤为突出。因而轮胎带束层安全倍数计算是轮胎结构设计的必要组成部分。目前轮胎结构设计过程中,普遍采用传统轮胎力学的理论及设计经验来计算带束层安全倍数,该方法计算所得的安全倍数精确度较差,无法真实反应其在使用时的安全性能,特别是轮胎使用工况较恶劣的情况。
因此,针对全钢子午线轮胎带束层断裂问题,需要一种精准预测轮胎使用性能的方法。有限元分析是一种有效的工程分析方法,可以通过建立轮胎的数值模型,模拟轮胎在不同工作条件下的应力分布和变形情况。通过有限元分析,可以对轮胎的使用性能进行精确预判,为轮胎设计和制造提供可靠的参考。这种方法可以降低轮胎带束层断裂风险,提高轮胎的安全性和可靠性。
中国发明专利申请(公开号:CN106339542A,公开日:2017-01-18)公开了一种轮胎整体带束层安全倍数的计算方法,该方法利用自主研发的仿真分析软件和轮胎的材料模型,分别对轮胎充气状态及负荷加载状态带束层的安全倍数进行了计算,研究分析了全钢子午线轮胎在充气下带束层的安全倍数特点,同时分析了其在负荷状态下带束层安全倍数的变化规律。利用有限元计算设计出一套全新的带束层安全倍数计算公式。
中国发明专利申请(公开号:CN116227279A,公开日: 2023-06-06)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。
发明内容
本发明的目的是提供一种轮胎带束层安全倍数的仿真计算方法,该方法利用现有的软件进行有限元分析,可以对轮胎的使用性能进行精确预判,为轮胎设计和制造提供可靠的参考。降低了轮胎带束层断裂风险,提高了轮胎的安全性和可靠性。
为了实现上述的目的,本发明采用了以下的技术方案:
一种轮胎带束层安全倍数的仿真计算方法,该方法包括以下的步骤:
1)使用CAD画出轮胎材料图,然后导入至HyperMesh中进行网格建模,将2D模型导出;
2)2D模型导入abaqus进行建模,将2D模型旋转成3D模型;绘制相关轮辋和路面,分别旋转和拉伸成轮辋部件和路面部件,最后一起装配至模型中;
3)继续在abaqus中,建立橡胶材料属性和钢丝材料属性,将钢丝单元嵌入对应的橡胶单元中;
4)创建接触面和接触属性
4.1)选中轮胎模型胎面单元,创建与路面的接触面;
4.2)选中轮胎子口部位的外层单元,创建轮辋的接触面;
4.3)选中轮辋,选择在几何体上建立接触面,选择轮辋的外表面成为轮辋与子口部位的接触面,选择路面轮胎方向的面成为路面与花纹的接触面;
5)设置接触属性
在Abaqus中创建法向接触属性并设定摩擦系数,设置轮辋的接触面和轮辋与子口部位的接触面接触,并将轮辋与橡胶的接触属性赋给该接触对;设定与路面的接触面和路面与花纹的接触面接触,并将路面与橡胶的接触属性赋给该接触对;
6)边界条件定义
在Step模块中创建步骤,包括:第一步是轮辋装配;第二步为轮胎充气;第三步为加载过程; 第四步轮胎滚动;第五步轮胎转弯;
7)仿真计算完成后,计算静载、滚动和/或转弯时的带束层安全倍数,对应打开第三步、第四步和/或第五步的ODB文件,选择所需要计算安全倍数的带束层,然后读取带束层所受应力S11数据,记录其整胎最大值S11max;
8)然后查询该带束层所使用的钢丝的最小破断力F,横截面积为S,其最小破断应力A=F/S,有限元计算的安全倍数=A/S11max。
作为优选,步骤1)中网格建模的网格单元是三角形单元或者四边形单元,单元类型设置成CGAX4、CGAX4H、CGAX4R、CGAX3中的一种或者几种混合,骨架材料单元使用线单元,类型设置成sfmgax1。
作为优选,步骤2)中利用*SYMMETRIC MODEL GENERATION,REVOLVE命令将2D模型旋转成3D模型,利用abaqus草图功能绘制相关轮辋和路面。
作为优选,步骤3)中建立橡胶材料属性,定义其密度、弹性模量和泊松比,并该材料属性赋给橡胶部件单元;建立钢丝材料属性,定义钢丝的横截面积、间距、角度、横截面积和泊松比,钢丝力学属性选择超弹性的MARLOW模型,具体数据需要钢丝真实的应力-应变曲线。完成材料属性后,选择Interaction模块,在约束管理器中创建嵌入区域;将钢丝单元嵌入对应的橡胶单元中。
作为优选,步骤6)中
第一步装配条件如下:将左右钢丝圈中心点分别定义为两个节点SET,然后在此SET上设置位移命令,使轮胎两边子口向内移动,移至轮辋内部使轮辋的接触面和轮辋与子口部位的接触面接触对进行接触;
第二步充气条件如下:在轮胎内表面充气接触面上加气压模拟轮胎充气状态;
第三步加载条件如下:在Create Load中,类型选择Concentrated force,方向选择垂直于胎面,在输入框中输入力的大小;
第四步滚动条件如下:在轮辋的参考点和轮胎上所有节点上,以*TRANSPORTVELOCITY命令施加一定的线速度和一定的角速度;当角速度=线速度/滚动半径时,轮胎是匀速滚动,当角速度≠线速度/滚动半径时,轮胎是加速或减速;
第五步转弯条件如下:在Create Load中,类型选择Concentrated force,方向选择垂直于胎侧,在输入框中输入力的大小。
进一步,本发明还公开了所述的方法在轮胎带束层设计中的应用。
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。
附图说明
图1为轮胎材料图;
图2为轮胎的网格模型;
图3为完整3D轮胎模型;
图4为轮胎带束层所受应力S11模型示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例,将实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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,都属于本发明保护范围。
以某规格全钢子午线轮胎为例,使用CAD画出轮胎材料图(图1所示),将其保存为DXF格式,然后导入至HyperMesh中进行网格建模(图2),网格单元可以是三角形单元或者四边形单元,单元类型设置成CGAX4、CGAX4H、CGAX4R、CGAX3中的一种或者几种混合,骨架材料单元使用线单元,类型设置成sfmgax1,将模型导出成2DTire.inp。
将2DTire.inp导入abaqus进行建模,利用*SYMMETRIC MODEL GENERATION,REVOLVE命令将2D模型旋转成3D模型。利用abaqus草图(Sketch)功能绘制相关轮辋和路面,分别旋转和拉伸成轮辋部件和路面部件(Part),最后一起装配(Assembly)至模型中(图3)。
继续在abaqus中,建立橡胶材料属性,定义其密度、弹性模量和泊松比,并该材料属性赋给橡胶部件单元。建立钢丝材料属性,定义钢丝的横截面积、间距、角度、横截面积和泊松比,钢丝力学属性选择超弹性的MARLOW模型,具体数据需要钢丝真实的应力-应变曲线。完成材料属性后,选择Interaction模块,在约束管理器(Constraint Manager)中创建嵌入区域(Embedded region)。将钢丝单元嵌入对应的橡胶单元中。
创建接触面和接触属性。在工具(Tool)选项中选择Surface,创建接触面。选中轮胎模型的内表面单元,创建成充气接触面,命名为”inflation_surf”;选中轮胎模型胎面单元,创建与路面的接触面,命名为”TreadUp_surf”;选中轮胎子口部位的外层单元,创建轮辋的接触面,命名为”Zikou_surf”;选中轮辋,选择在几何体上建立接触面,选择轮辋的外表面成为轮辋与子口部位的接触面,命名为”RIM_surf”,选择路面轮胎方向的面成为路面与花纹的接触面,命名为”Road_surf”。
设置接触属性,在Abaqus中选择Interaction模块,在Interaction PropertyManager中创建法向接触属性并设定摩擦系数。轮辋与橡胶的接触属性命名为”IntProp-1”,路面与橡胶的接触属性命名为”IntProp-2”。 在Interaction Manager中选择”Surface-to-surface contact”,即面与面的接触,设置”Zikou_surf“与”RIM_surf“接触,并将”IntProp-1”的接触属性赋给该接触对。设定”TreadUp_surf”与”Road_surf”接触,并将”IntProp-2”的接触属性赋给该接触对。
边界条件定义,首先在Step模块中创建步骤,主要包括3个运动步骤,第一步是轮辋装配,命名为 ”RIMMOUNT”;第二步为轮胎充气,命名为” Inflation”;第三步为加载过程,命名为”Load”; 第四步轮胎滚动,命名为” ROLLING”;第五步轮胎转弯,命名为”ZW”,所有步骤设置为*Static。
定义第一步” RIMMOUNT”的装配条件。将左右钢丝圈中心点分别定义为两个节点SET,然后在此SET上设置位移命令,使轮胎两边子口向内移动,移至轮辋内部使”Zikou_surf“与”RIM_surf“接触对进行接触,具体位移量根据轮胎的着合宽度和轮辋宽度而定。
定义第二步” Inflation”的充气条件。在轮胎内表面inflation_surf上加气压模拟轮胎充气状态,具体气压根据具体轮胎规格而定。
定义第三步” Load”的加载条件。此步骤为给路面施加垂直于胎面的力。在CreateLoad中,类型选择Concentrated force,方向选择垂直于胎面,在输入框中输入力的大小。
定义第四步” ROLLING”的滚动条件。此步骤将轮胎以一定速度滚动。在轮辋的参考点(reference point)和轮胎上所有节点上,以*TRANSPORT VELOCITY命令施加一定的线速度和一定的角速度。当角速度=线速度/滚动半径时,轮胎是匀速滚动,当角速度≠线速度/滚动半径时,轮胎是加速或减速。
定义第五步” ZW”的转弯条件。此步骤为给轮胎上所有节点施加一个侧向力。在Create Load中,类型选择Concentrated force,方向选择垂直于胎侧,在输入框中输入力的大小。
仿真计算完成后,如需要计算静载/滚动/转弯时的带束层安全倍数,对应打开第三步/第四步/第五步的ODB文件,在CREATE DISPLAY GROUP里面选择所需要计算安全倍数的带束层,然后读取S11数据(图4),记录其整胎最大值S11max。
然后查询该带束层所使用的钢丝的最小破断力F,横截面积为S,其最小破断应力A=F/S,有限元计算的安全倍数=A/S11max。
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 (9)

1.一种轮胎带束层安全倍数的仿真计算方法,该方法包括以下的步骤:
1)使用CAD画出轮胎材料图,然后导入至HyperMesh中进行网格建模,将2D模型导出;
2)2D模型导入abaqus进行建模,将2D模型旋转成3D模型;绘制相关轮辋和路面,分别旋转和拉伸成轮辋部件和路面部件,最后一起装配至模型中;
3)继续在abaqus中,建立橡胶材料属性和钢丝材料属性,将钢丝单元嵌入对应的橡胶单元中;
4)创建接触面和接触属性
4.1)选中轮胎模型胎面单元,创建与路面的接触面;
4.2)选中轮胎子口部位的外层单元,创建轮辋的接触面;
4.3)选中轮辋,选择在几何体上建立接触面,选择轮辋的外表面成为轮辋与子口部位的接触面,选择路面轮胎方向的面成为路面与花纹的接触面;
5)设置接触属性
在Abaqus中创建法向接触属性并设定摩擦系数,设置轮辋的接触面和轮辋与子口部位的接触面接触,并将轮辋与橡胶的接触属性赋给该接触对;设定与路面的接触面和路面与花纹的接触面接触,并将路面与橡胶的接触属性赋给该接触对;
6)边界条件定义
在Step模块中创建步骤,包括:第一步是轮辋装配;第二步为轮胎充气;第三步为加载过程; 第四步轮胎滚动;第五步轮胎转弯;
7)仿真计算完成后,计算静载、滚动和/或转弯时的带束层安全倍数,对应打开第三步、第四步和/或第五步的ODB文件,选择所需要计算安全倍数的带束层,然后读取带束层所受应力S11数据,记录其整胎最大值S11max;
8)然后查询该带束层所使用的钢丝的最小破断力F,横截面积为S,其最小破断应力A=F/S,有限元计算的安全倍数=A/S11max。
2.根据权利要求1所述的一种轮胎带束层安全倍数的仿真计算方法,其特征在于,步骤1)中网格建模的网格单元是三角形单元或者四边形单元,单元类型设置成CGAX4、CGAX4H、CGAX4R、CGAX3中的一种或者几种混合,骨架材料单元使用线单元,类型设置成sfmgax1。
3.根据权利要求1所述的一种轮胎带束层安全倍数的仿真计算方法,其特征在于,步骤2)中利用*SYMMETRIC MODEL GENERATION,REVOLVE命令将2D模型旋转成3D模型,利用abaqus草图功能绘制相关轮辋和路面。
4.根据权利要求1所述的一种轮胎带束层安全倍数的仿真计算方法,其特征在于,步骤3)中建立橡胶材料属性,定义其密度、弹性模量和泊松比,并该材料属性赋给橡胶部件单元;建立钢丝材料属性,定义钢丝的横截面积、间距、角度、横截面积和泊松比,钢丝力学属性选择超弹性的MARLOW模型,具体数据需要钢丝真实的应力-应变曲线;
完成材料属性后,选择Interaction模块,在约束管理器中创建嵌入区域;将钢丝单元嵌入对应的橡胶单元中。
5.根据权利要求1所述的一种轮胎带束层安全倍数的仿真计算方法,其特征在于,步骤6)中
第一步装配条件如下:将左右钢丝圈中心点分别定义为两个节点SET,然后在此SET上设置位移命令,使轮胎两边子口向内移动,移至轮辋内部使轮辋的接触面和轮辋与子口部位的接触面接触对进行接触;
第二步充气条件如下:在轮胎内表面充气接触面上加气压模拟轮胎充气状态;
第三步加载条件如下:在Create Load中,类型选择Concentrated force,方向选择垂直于胎面,在输入框中输入力的大小;
第四步滚动条件如下:在轮辋的参考点和轮胎上所有节点上,以*TRANSPORT VELOCITY命令施加一定的线速度和一定的角速度;当角速度=线速度/滚动半径时,轮胎是匀速滚动,当角速度≠线速度/滚动半径时,轮胎是加速或减速;
第五步转弯条件如下:在Create Load中,类型选择Concentrated force,方向选择垂直于胎侧,在输入框中输入力的大小。
6.根据权利要求1-5任意一项权利要求所述的方法在轮胎带束层设计中的应用。
7.一种计算机设备,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1-5任意一项权利要求所述方法。
8.一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1-5任意一项权利要求所述方法。
9.一种计算机程序产品,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1-5任意一项权利要求所述方法。
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