有限元轮子受力分析
汽车轮胎的有限元阐述
汽车轮胎的有限元阐述有限元分析法在对汽车轮胎力学结构进行分析之时，使研究工作达到了巅峰的阶段，这一分析方法在应用之时把汽车轮胎看作各向异性连接体，轮胎的构造与材质得到了简易的分析，同时能够将与轮胎相关的信息整体地呈现出来，进而完成对起初轮胎性能推测的目标。
目前有限元分析法在轮胎的充气形状和应力、载荷—位移曲线、接地面积和形状、轮胎的滚动阻力以及侧偏特性等方面都得到了广泛的应用，且取得了良好的应用效果。
1 汽车轮胎结构力学非线性有限元分析1.1 建设有限元汽车轮胎模型众所周知，汽车轮胎在地面运行的状态为滚动，在计算量上应用初始构形会产生很多弊端。
而有限元分析法的使用对轮胎模型进行建设之时有效地应用轮胎滚动构性这一参考构形，此时三维实体单元模拟的组成元素为以下种类：轮胎、轮惘及刚性路面；汽车有限元模型的建立健全，把轮胎运动的形式细化为刚体滚动和纯变形两类；而接触单元模拟成为表示轮胎与地面之间的相互作用的效果；胎面花纹沟被省略的同时细化网络将汽车轮胎接触区域周边的面貌呈现出来；三维超弹性模拟应用在轮胎胎面橡胶上；使用三维复合材料单元模拟的对象主要是胎体帘布层、带束层和冠带层；六面体八节点等参元模拟用于建设汽车轮胎结构；对于以上一切的单元，其均具有变形能力强、高硬度的特征。
1.2 对汽车轮胎承载部件受力情况的分析应用有限元分析法对195/651R489H型号的高速轿车子午线轮胎垂直加载这一工作状况下的结构进行分析。
因为汽车轮胎在垂直载荷的作用下，此时轮胎自体与地表接触时不是轴对称这是必然的结果，那么此时与轮胎相接触的地面区域势必会产生复杂多变的应力，且发生无规则的形变。
有限分析法在应用之时发现在接触底的中心轮胎胎体帘布层无应力产生，而当汽车轮胎与接地中心背离之时胎体帘布层受到了拉应力的作用，并且在接触区域的始末端拉应力的数值是最大的；有限元分析法在对汽车轮胎的带束层进行分析之时，发现其并不是在轮胎接地内、外区域均受到拉应力的作用，在接地区域内部其只受压应力，而产生压应力最大的位置依然是汽车轮胎接地区域的中心，并且轮胎第一带束层接地中心的压应力远远小于第二带束层，在接地区域的其他范围内第一、二带束层所受的压应力值基本一致。
轮胎结构有限元分析应用于子午线轮胎帘线受力特性的研究
（! ） 冠带层
-5, -5. /-5. /-5, /-5# #(0(*+ ),+ )(+
弧长 1 22
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胎体 （" ） 图(
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具有重要的实际指导意义。
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（( ） 胎体 图! 沿 ")截面子午向各层帘线应力分布
圆周向位置 （ 0 )）
（& ） 第二带束层
!""# 年
第$期
— - —
・ 设计 ・ 计算 ・ 研究 ・
［#， $］ 午线轮胎的质量性能 。带束层和胎体都是橡胶 /
如图 ! 所示。为了 聚酯或钢丝帘线/橡胶骨架材料， 保证模拟的精确性和可行性，采用三维实体单元模 拟轮胎各部件。其中，橡胶材料采用不可压缩 橡胶/帘线复合材料用 +:S3E T==4:H 材料模型模拟， 材料模型模拟。 在模型中仅考虑了轮胎的纵向花纹。 在带束层端部、胎体反包处和胎圈等结构复杂和易 损坏的部位， 节点布局相对密集。
（& ） 图%
含复杂胎面花纹的轮胎有限元分析-不同滚动状态下的轮胎结构受力对比分析-李兵-2010
60
Full braking
Full traction
40
Camber, 10o
20
Camber, -10o
Slip, 10o
0
-100
-50
0
50
100
true distance(mm)
图 5 各种滚动工况下的第 2 带束层帘线受力（180º 截面）
rebar force (N)
4. 不同滚动工况对轮胎橡胶受力变形特征的影响
对比图 6 和 10 可以看出，在 10º 侧偏角下轮胎 180º 截面前后两侧的 Mises 应力分布是基本关于 180º 截面对称的，仅轮胎左侧的花纹块底部区域在 180º 截 面前后两侧的 Mises 应力有较为明显的差异。轮胎截面内的 Mises 应力分布不再 关于轮胎中分面对称。在 10º 侧偏角下，不管是胎面花纹部分还是轮胎主体部分， 均是在轮胎左侧受力减小（与自由滚动工况相比）而在轮胎右侧受力增大；且侧 偏滚动工况下轮胎主体部分橡胶的各个危险区域内 Mises 应力减小或增大的幅 度均较侧倾滚动工况下的相应幅度更大。侧偏滚动工况下轮胎橡胶受力的上述分 布特征与轮胎在侧偏滚动工况下的前述接地应力分布情况也是一致的。与 10º 侧 倾角下的情况类似，在 10º 侧偏角下位于胎侧部的区域 W 和位于胎圈部的区域 X （如图 10(a)和(b)中所示）同样是可能的危险区域；此外，在 10º 侧偏角下位于 轮胎左侧的花纹块底部的区域 Y1 和 Y2 也成为新的可能危险区域。
总之，滚动工况的改变对轮胎橡胶结构受力变形情况的影响是非常显著的。 与自由滚动工况相比，在驱动、制动、侧倾滚动和侧偏滚动等工况下，尤其是侧 偏工况下，一些原可能危险区域的受力变形情况明显恶化，并且出现了一些新的
有限元轮子受力分析
轮子受力分析1、问题描述如图4-92所示为轮子的2D平面图，该轮基本尺寸均为英寸，中间筋板上的孔有8个，圆周分布。
现要分析该轮仅承受Y轴旋转角速度的作用下，轮的受力及变形情况。
已知角速度为w=525rad/s，材料属性为弹性模量E=30×106psi，泊松比为0.3，密度为0.00073 lb/in3。
2、建模思路由于轮子的对称性，只要分析其中的1/8即可。
这是一个3D问题，由于其复杂性，有必要采用自由网格划分和映射网格划分相结合，不能采用2D网格拖动生成3D网格。
首先要建立3D模型，然后进行分割，使其中的一部分模型能够采用映射网格方式划分，其余部分可以自由网格方式划分。
对划分网格部分的连接处进行网格转换，并施加对称约束和角速度。
对其求解分析，输出结果。
3、操作步骤（1）定义工作文件名和工作标题①定义工作文件名：执行Utility Menu > File > Change Jobname命令在对话框中输入“Wheel Anal”并选择【New log and error files】复选框，单击OK按钮。
②定义工作标题：Utility Menu > File > Change Title,在对话框中输入“The Stress calculating of Wheel by angular velocity”，单击OK按钮。
③重新显示：：Utility Menu > Plot > Replot。
④关闭三角坐标符号：Utility Menu > PlotCtrls > Windows Controls > Windows Options，在对话框中的“Location of triad”下拉列表框中选择“Not Shown”，单击OK按钮。
（2）定义单元类型及材料属性①选择单元类型：Main Menu > Preprocessor > Element Type >Add/Edit/Delete，在【Element Type】对话框中单击Add...按钮，在之后的【Labrary of Element Type】对话框中选择“Sbuctural Solid”和“Brick 8node45”选项，单击Apply按钮，选择“Brick 20node95”，单击Ok按钮，然后单击Close按钮。
轮胎的有限元分析
目录摘要IIIAbstract IV1 绪论 11.1 选题的目的和意义 11.2本课题国内外的研究现状 11.3本课题研究内容 12子午线轮胎特点 22.1 子午线轮胎的结构特点 22.2子午线轮胎的结构分析 23子午线轮胎三维整体有限元模型建立 43.1通用软件简介 43.2单元的选取 53.3 轮胎模型的简化 83.3.1模型建立的要求 83.3.2轮胎模型的简化 93.3.3几何建模 94子午线轮胎静态接触的有限元分析 114.1 有限元分析流程 114.2静态接触的载荷和边界条件的处理 124.2.1轮胎有限元模型的三维非线性 124.2.2轮胎单元材料参数的数值 124.2.3轮胎有限元分析的参数化及模型的自动生成 144.2.4 静态接触的载荷和边界条件的处理 184.3轮胎有限元结果分析 194.3.1静态接触载荷工况 194.3.2轮胎在静态接地状况下的有限元结果分析 205 总结与展望 245.1 总结 245.2 不足与展望 245.3 有限元技术在轮胎和车辆工程中应用展望 24参考文献 25基于ANSYS的汽车轮胎有限元分析研究摘要本文主要基于ANSYS软件非线性分析技术，采用三维体单元和接触单元，建立了子午线轮胎的静态接触状态下的有限元模型并对其进行分析研究。
利用CATIA对子午线轮胎进行几何建模，运用ANSYS软件对其进行有限元分析，定义材料属性和单元属性，考虑接触问题，得到适合研究轮胎特性的有限元模型。
根据轮胎结构特征及单元的特征，利用ANSYS的参数设计语言APDL对分析问题进行参数化，提高效率，便于对同类问题的分析研究。
关键词：ANSYS；子午线轮胎；接触变形； CATIA ； APDLANSYS AND RESEARCH OF MOTOR TYRE BASED ON ANSYSAbstractThis paper mainly performs the analysis and research on the radial tyre based on the non-linear analysis of ANSYS and applied software of ANSYS,using three-demension solid element and contacting element , three-dimension finite element contact model of static radial tyre is built.The geometry model of tire is got in CATIA.A finite element model of radial tire is created in ANSYS.Define material characteristics and element types. The contact problem is considered.We got a proper finite element model for studying tire’s characteristic.According to the tyre structural and element charateristic,APDL is applied for research of the analytic problem so as to increase efficiency,so the resembling analysis will be simplified and done easily.Key words: ANSYS ；radial-tyre ；contact- deformation ；CATIA ；APDL1 绪论1.1 选题的目的和意义轮胎作为联结汽车车身与道路的部件，是影响行驶车辆的操纵稳定性、安全性和平顺性的一个关键因素。
子午斜交轮胎力学性能有限元分析
子午斜交轮胎力学性能有限元分析
有限元分析是一种广泛应用于工程领域的数值计算方法，通过将连续体划分为有限的单元，建立离散的有限元模型，然后采用适当的数学方法求解模型，从而获得所研究对象的力学性能。
在子午斜交轮胎力学性能有限元分析中，可以从以下几个方面进行研究。
首先，可以分析轮胎在负荷作用下的应力和应变分布情况。
子午斜交轮胎中的帘线结构会在外力作用下产生应力和应变，通过有限元分析可以研究不同负荷条件下的胎体变形和应力分布情况，了解胎体在运动过程中的受力情况。
其次，可以研究轮胎在不同地面条件下的接地性能。
子午斜交轮胎的纤维帘线结构可以提供更好的抓地力，有限元分析可以模拟轮胎与地面之间的接触情况，研究轮胎在不同地面条件下的接地性能，如附着力、抓地力等，以帮助轮胎设计和优化。
此外，有限元分析还可以研究轮胎的胎垫变形和刚度特性。
胎垫是轮胎中的一个重要组成部分，它直接影响轮胎的舒适性和操控性能。
通过有限元分析，可以模拟轮胎负荷下胎垫的变形情况，并计算胎垫的刚度，以评估轮胎的舒适性和操控性能。
最后，有限元分析还可以研究轮胎的耐磨性能。
子午斜交轮胎的纤维帘线结构具有较好的耐磨性能，有限元分析可以模拟轮胎与地面之间的摩擦情况，计算轮胎在不同工况下的摩擦力和磨损情况，以评估轮胎的耐磨性能。
综上所述，子午斜交轮胎力学性能有限元分析可以从应力和应变分布、接地性能、胎垫变形和刚度特性以及耐磨性能等多个方面进行研究，为轮
胎的设计和优化提供科学依据。
通过有限元分析，可以详细了解子午斜交
轮胎在不同工况下的力学性能，从而提高轮胎的使用寿命和性能。
轮载作用下半刚性路面受力状况的有限元分析
层的刚度或厚度，得到以下规律：基层厚度不变，刚 度增大，导致基层底面最大拉应力增大，底基层底面
-&&! 年第 # 期
高建红：轮载作用下半刚性路面受力状况的有限元分析
— -$ —
最大拉应力减小；基层刚度不变，厚度增加，导致基 层、底基层底面最大拉应力都减小。超载越严重，在 面层、基层、底基层底面产生的拉应力越大。
应力越大，且随轴载成比例增加。图 # 全面反映了底 基层底面最大拉应力随基层模量、厚度的变化关系。 分析图 # 及表 " 可知：增加基层厚度也可以减小底基 层底面的最大拉应力，而且基层越厚，其模量变化对 底基层底面最大拉应力的影响越显著；基层模量、厚 度不变，轴载越大或超载越严重，底基层底面最大拉 应力也越大，同样随轴载成比例增加。
$" 半刚性路面各结构层的受力分析 对双圆垂直均布荷载作用下的三维实体模型进行 了有限元分析，从中找出轴载中截面（ 如图 " 所示）
!22- 年第 " 期
高建红：轮载作用下半刚性路面受力状况的有限元分析
— )3 —
上各结构层底面的最大应力，部分结果列于表 ! 和表 " ，表中数值为负表示受压，数值为正表示受拉。图 ! 中 #$ 、%&、’( 线上的最大应力分别对应于面层层 底最大应力、基层层底最大应力、底基层层底最大应 力。由此可见，在笛卡尔坐标系中，以上三条线上某 一点的 ! 方向应力相当于轴对称课题中的径向应力， " 方向应力相当于轴对称课题中的切向应力，图 ! 中 " 方向垂直于纸面指向读者。图 " 给出了标准轴载作 用下基层、底基层底面 ! 和 " 方向的最大拉应力随 基层模量变化的关系曲线。由此曲线可知：基层和底 基层底面 " 方向拉应力大于等于 ! 方向拉应力，这 和轴对称课题中的切向应力大于等于径向应力相吻 合。非标准轴载作用下也具有以上结论。面层受其薄 厚和相对刚度大小的影响，层底应力有压有拉，当层 底为压应力时，! 方向压应力大于等于 " 方向压应力。
有限元分析在轮胎结构设计中的应用
有限元分析在轮胎结构设计中的应用有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）是一种应用数学方法和计算方法解决物理领域中的工程和科学问题的技术。
在轮胎结构设计中，有限元分析可以发挥重要作用。
本文将探讨有限元分析在轮胎结构设计中的应用。
首先，有限元分析可以用于轮胎的结构分析。
在轮胎的结构设计过程中，了解和评估轮胎的结构性能是非常重要的。
有限元分析可以帮助工程师对轮胎的不同部分进行细节分析，如轮胎的胎面、胎肩、胎侧等等。
通过有限元分析，可以模拟轮胎在不同道路条件下的受力情况，研究轮胎的应力、变形和疲劳等特性。
这有助于工程师了解轮胎的强度和刚度，为轮胎设计提供依据。
其次，有限元分析可以用于轮胎的耐久性分析。
耐久性是轮胎结构设计的一个重要指标。
有限元分析可以帮助工程师模拟轮胎在实际使用条件下的循环荷载作用下的疲劳性能。
通过有限元分析，可以评估轮胎的寿命和耐久性，预测轮胎在不同使用条件下的损坏情况。
这有助于工程师确定合适的轮胎材料和结构设计，提高轮胎的寿命和可靠性。
另外，有限元分析还可以用于轮胎的车辆动力学分析。
轮胎在车辆行驶过程中，承受着来自地面的力和转矩，对行驶稳定性和操控性起着关键作用。
有限元分析可以帮助工程师模拟轮胎和地面之间的接触力，研究轮胎的摩擦特性和动力学行为。
通过有限元分析，可以评估轮胎在转弯、制动和加速等情况下的性能，优化轮胎的设计参数，提高车辆的操控性和行驶稳定性。
此外，有限元分析还可以用于轮胎的优化设计。
通过有限元分析，工程师可以设计和评估不同的结构方案，优化轮胎的性能。
例如，可以通过有限元分析评估轮胎胎面花纹的设计对轮胎的排水性能和抓地力的影响，优化胎面花纹的形状和纹样。
此外，还可以通过有限元分析优化轮胎的结构参数，如胎压、胎宽和胎壁高度等，以获得更好的性能和经济性。
总而言之，有限元分析在轮胎结构设计中的应用十分广泛。
通过有限元分析，可以模拟轮胎的结构和性能，研究轮胎的强度、疲劳性能和动力学行为，优化轮胎的设计参数，提高轮胎的性能和可靠性。
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轮子受力分析1、问题描述如图4-92所示为轮子的2D平面图，该轮基本尺寸均为英寸，中间筋板上的孔有8个，圆周分布。
现要分析该轮仅承受Y轴旋转角速度的作用下，轮的受力及变形情况。
已知角速度为w=525rad/s，材料属性为弹性模量E=30×106psi，泊松比为0.3，密度为0.00073 lb/in3。
2、建模思路由于轮子的对称性，只要分析其中的1/8即可。
这是一个3D问题，由于其复杂性，有必要采用自由网格划分和映射网格划分相结合，不能采用2D网格拖动生成3D网格。
首先要建立3D模型，然后进行分割，使其中的一部分模型能够采用映射网格方式划分，其余部分可以自由网格方式划分。
对划分网格部分的连接处进行网格转换，并施加对称约束和角速度。
对其求解分析，输出结果。
3、操作步骤（1）定义工作文件名和工作标题①定义工作文件名：执行Utility Menu > File > Change Jobname命令在对话框中输入“Wheel Anal”并选择【New log and error files】复选框，单击OK按钮。
②定义工作标题：Utility Menu > File > Change Title,在对话框中输入“The Stress calculating of Wheel by angular velocity”，单击OK按钮。
③重新显示：：Utility Menu > Plot > Replot。
④关闭三角坐标符号：Utility Menu > PlotCtrls > Windows Controls > Windows Options，在对话框中的“Location of triad”下拉列表框中选择“Not Shown”，单击OK按钮。
（2）定义单元类型及材料属性①选择单元类型：Main Menu > Preprocessor > Element Type >Add/Edit/Delete，在【Element Type】对话框中单击Add...按钮，在之后的【Labrary of Element Type】对话框中选择“Sbuctural Solid”和“Brick 8node45”选项，单击Apply按钮，选择“Brick 20node95”，单击Ok按钮，然后单击Close按钮。
②设置材料属性：Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models，在【Define Material Models Behavior】窗口中双击【Material Model > Available】列表中的“Structural﹨Linear﹨Elastic Y﹨Isotropic”选项，在弹出【Linear Isotropic Material Properties For Material Number 1】对话框中输入“EX=3e11，PRXY=0.3”，单击OK按钮，双击打开Density，在对话框中的【DENS】文本框中输入“0.00073”，单击OK按钮，执行Material > Exit 命令。
（3）建立2D模型①生成3个矩形面：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create >Areas >Rectangle > By >Dimensions，在对话框【Create Rectangle by Dimensions】中输入数据“X1=7.5,X2=8,Y1=0.5,Y2=3.75X”,单击Apply按钮，输入“5.5，7.5”及“1.5，2.25”，单击Apply按钮，输入“7.5，8.0”及“0.5，3.75”，单击OK按钮。
②面相加操作：Main Menu > Preprocessor > modeling > Operate > Booleans > Add > Areas，在拾取框中单击Pick All按钮。
③打开线编号：Utility Menu > PlotCtrls > Numbering，在【Plot Numbering Controls】对话框中选择【Line Number】复选框，单击OK按钮。
④显示线：Utility Menu > Plot > Line。
⑤Main Menu > Preprocessor > modeling > Create > Lines > Line Fillet，在拾取框中拾取编号为14、7的线，单击Apply按钮，在弹出的【Line Fillet】对话录中的【RAD】文本框中输入“0.25”，单击Apply按钮。
重复上述操作对线7与16、5与13、5与15执行倒角。
⑥打开关键点编号：Utility Menu > PlotCtrls > Numbering，在在【Plot Numbering Controls】对话框中选择【Keypoint Number】复选框，单击OK按钮。
⑦生成圆弧线：Main Menu > Preprocessor > modeling > Create > Lines > Arcs > By End KPs＆Rad，在拾取框中拾取编号为12、11的线，单击Apply按钮。
拾取圆弧的中心点（编号为10的点），单击Apply按钮，在弹出的【Arc by End KPs＆Radius】对话框中的【Radius of the arc】文本框中输入“0.4”，单击Apply按钮。
重复上述操作，对编号为9、10及11的关键点生成圆弧，单击OK按钮。
⑧由线生成面：Main Menu > Preprocessor > modeling > Create > Areas Arbitrary > By Lines，在拾取框中拾取编号为6、8、2的线，单击Apply按钮。
拾取编号20、19、21的线，单击Apply按钮。
重复上述过程，对线“22、24、23”、“17、18、12”、“11、25”、“9、26”进行生成面的操作，单击OK按钮。
⑨面相加：Main Menu > Preprocessor > modeling > Operate >Booleans >Add > Areas，在弹出的拾取框中单击Pick All。
⑩保存结果数据文件：Main Menu > File > Save As，在对话框中输入“Wheel_Anal_2D”，单击OK按钮。
（4）通过拖动生成3D模型①定义两个关键点用来定义旋转轴：Main Menu > Preprocessor > Create > Keypoints > In Active CS ，在【Create key points in Active Coordinate System】中输入“NPT=50，X=0，Y=0，Z=0”单击Apply按钮，输入“NPT=51，X=0，Y=6，Z=0”，单击Ok按钮。
②2D拖动生成3D：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Extrude > Areas >About Axis，在弹出的拾取框中单击Pick All，然后拾取编号为50、51的关键点，单击Ok按钮。
在【Sweep Areas About Axis】中的【Arclengh ih degree】文本框中输入圆弧角“22.5°”，在【NSEG】文本框中输入“1”，生成的实体由一块体积组成。
③关闭线编号显示：Utility Menu > PlotCtrls > Numbering，在【Plot Numbering Controls】对话框清除【Line Number】复选框，单击OK按钮。
④改变视图方向：Utility Menu > PlotCtrls > Pan，Zoom，Rotate，在工具栏【Pan-Zoom-Rotate】中单击Iso按钮。
（5）生成圆柱孔①显示工作平面：Utility Menu > WorkPlane > Display Working Plane。
②移动工作平面：Utility Menu > WorkPlane > Offset WP to>Keypoints，在拾取框中拾取编号14、16的点，单击OK按钮。
③旋转工作平面：Utility Menu > WorkPlane > Offset by Increments，在Offset工具栏中的文本框“XY，YZ”和“ZX Angle”分别输入“0，-90，0”，单击OK按钮。
④生成一个实心圆柱体：执行Main Menu > Preprocessor > Create > Cylinder > By Dimension，在弹出的对话框中的【RADI】文本框中输入“0.45”，在【Z1】【Z2】文本框中分别输入“1”“-2”，单击OK按钮。
⑤体相减操作：Main Menu > Preprocessor > Modeling >Operate >Booleans > Subtract Volumes，在拾取框中拾取编号为V1的体，单击OK按钮。
然后拾取编号为V2的体，单击OK按钮。
⑥保存结果数据文件：Utility Menu > File > Save as，在弹出【Save as】对话框中【Save As】对话框输入文件名“Wheel Anal_3D”，单击Ok按钮。
（6）划分有限元网格①移动工作平面与全局坐标一致：Utility Menu > WorkPlane > Align WP with > Global Cartesian。
②移动工作平面到关键点：Utility Menu > WorkPlane > Offset WPto>Keypoints，在拾取框中拾取编号为19的关键点，单击Ok按钮。
③旋转工作平面：分别在“Offset Wp”工具栏中的“XY”、“YZ”和“ZX Angle”文本框中输入“0”“-90”“0”后回车。