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基于子模型方法的子午线轮胎胎圈部有限元分析
陈睿李子然夏源明(中国科学技术大学中科院材料力学行为和设计重点实验室)
摘要:以ABAQUS软件为基础,利用子模型分析技术,形成了从装配、充气、静负荷等工况下轮胎的三维有限元求解策略,并
进行了必要的考评。在此基础上,对轮胎胎圈部危险区域进行了三维精细网格有限元分析。
关键字:轮胎;胎圈;子模型;有限元
FiniteElementAnalysisoftheBeadAreaofRadialTire
bySubmodelingmethod
RuiChen,ZiranLi,YuanmingXia
(DepartmentofModernMechanics,UniversityofScienceTechnologyofChina,CASKeylaboratoryofMechanical
BehaviorandDesignofMaterials,USTC,Hefei,Anhui,230027,P.R.China)
Abstract:WiththeapplicationofABAQUSpackage,threedimensionalFEAsolvingstrategyoftirestructuretechnologybasedon
thesubmodelingmethodisfounded,withthecasesofassembly,inflation,staticloadingandsoon.NecessaryevaluationoftheFEA
resultsisconducted.Moreover,threedimensionalrefinedFEAofthedangerousregionintirebeadareaiscarriedout.
KeyWord:tire,bead,submodel,finiteelementanalysis
1前言
全钢载重子午线轮胎在使用过程中往往发生胎圈破坏而失效,这是由于轮胎胎圈部结构复杂,包含了多种橡
胶材料和骨架材料,导致子口包布和胎体帘线反包末端出现应力集中,使该区域成为容易发生损坏的危险区域。
随着有限元分析方法在子午线轮胎结构分析中的广泛应用,越来越多的研究者开始利用有限元对轮胎胎圈部危险
区域的应力应变场进行分析。李炜等利用具有精细网格的轮胎轴对称模型分析了超压充气状态下轮胎胎圈子口部
位的变形特征[1]。但他没有进行三维有限元模拟,无法得到轮胎静负荷状态下的结果。任旭春等以胎体帘线弹性
张量中的C11作为设计参数,通过三维有限元分析,给出了胎圈部结构优化设计参数
[2]。闫相桥等利用三维有限
元模型研究子午线轮胎的耐久性时发现带束层宽度对胎体帘线反包末端处应力场有较大的影响[3]。但是文献[2,3]
中所采用的有限元分析模型网格比较粗糙,无法准确反映轮胎胎圈部复杂的应力应变场的分布状况。
国内某轮胎厂商根据其实际生产需要出发,提出了进行不同橡胶材料性能对轮胎性能的影响的研究要求,本
文正是根据该要求,试图以12.00R20全钢载重子午线轮胎为分析对象,利用子模型分析技术建立三维精细网格有
限元模型,实现轮胎胎圈部的精细有限元分析,并考察不同的橡胶材料物理性能对胎圈部危险区域的影响。
2三维精细网格子模型有限元分析
子模型方法是将整个问题分为两步,首先利用整体模型进行计算,然后建立一个仅仅包含局部关心区域的细
分网格子模型进行求解;两者的联系是局部区域从整体区域分割出来的分割面,即子模型在分割面上的边界条件
依赖整体结构的分析结果,再通过插值法自动提供。
2.1有限元分析模型的建立
2.1.1建立三维整体模型
本文在建立三维轮胎模型的时候忽略了实际轮胎几何形状上的一些细节部分(如防擦线、标志线等),也没有
计及胎面横向花纹的影响,只考虑了纵向花纹。首先建立如图1所示的轴对称的有限元模型,然后旋转生成三维
模型,如图2所示,并以此分析轮胎的装配、充气和静负荷状态。在轴对称模型(610个单元)和三维模型(23180
个单元)中,轮胎橡胶材料分别选用4节点实体单元CGAX4H和8节点实体单元C3D8H,而轮胎的骨架材料(带
束层帘线,胎体层帘线,子口包布帘线,钢丝圈)则选用REBAR单元来定义[4]。橡胶材料采用Yeoh本构模型定
U?C10(I?3)?C(I?3)2?C(I?3)3,式中,
义,其Yeoh形式的应变能函数为:
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