轮胎有限元应力应变计算
基于Abaqus软件的轮胎有限元模型建立及仿真分析
表1 305/75R24. 5全钢载重子午线轮胎各橡胶
部件胶料的Rivlin系数
MPa
橡胶部件 胎面胶
C10 0. 603 5
E-mail：754318973@qq. com
的制高点。国内轮胎企业以及高校和科研院所应 加大相关技术研发力度。
本 工 作 基 于Abaqus软 件 建 立 轮 胎 有 限 元 模 型，对305/75R24. 5全钢载重子午线轮胎的外缘尺 寸、胎 肩 应 力、带 束 层 应 力 分 布、胎 圈 与 轮 辋 接 触 应力分布进行预测分析，以期确保305/75R24. 5全 钢载重子午线轮胎设计的可靠性。
欧 盟 标 签 法 出 台 后，欧 盟 国 家 禁 止 进 口 和 销 售 不 符 合 该 法 规 的 轮 胎。 近 年 来，西 方 发 达 国 家纷纷对中国轮胎企业征收反倾销税和反补贴 税[7-11]。与此同时，美国正斥巨资建立国家轮胎研 究 中 心，欧 盟 第 七 框 架 研 究 计 划 设 立 轮 胎 力 学 和 道路安全项目。这些都表明发达国家正通过提高 技术门槛和加强贸易保护力图继续控制轮胎技术
图1 单轴拉伸试验试样
2 二维ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ气状态及静负荷状态有限元模型的建 立和仿真模拟过程
2. 1 有限元分析前处理 有限元分析的前处理是把几何模型转化为
有限元模型的过程，主要包括材料分布图的简化、 单 元 集 合 的 建 立 和 网 格 划 分 等。 本 研 究 利 用 浩 辰CAD建 立 的305/75R24. 5载 重 子 午 线 轮 胎 的 几 何 模 型，即 材 料 分 布 图，将 模 型 的 轮 廓 曲 线（除 去 尺 寸 线 等 注 释 线）导 入 hypermesh 软 件，即 首 先 将CAD中 的 材 料 分 布 图 处 理 成 以x轴 为 中 线 的 轴 对 称 分 布 图，再 利 用hypermesh软 件 对 其 进 行 二维有限元网格划分。建模时保留了轮胎花纹， 305/75R24. 5载重子午线轮胎的有限元网格划分 如图2所示。
有限元分析工程应力应变与真实应力应变
材料信息表
工程应力应变曲线
材料 编号
材料 密度
弹性 模量
泊松 比
屈服 应力
抗拉 强度
颈缩 点应 变
断裂应变
不同 应变 率
屈服 抗拉 应力 强度
颈缩点 断裂应变 应变
单轴拉伸试验
材料 熔化 温度
材料比 热容
材料信息表
材料基本信息：
密度，模量，泊松比
材料应力应变关系：
voce
1
p tr
Johnson-Cook swift voce
Swift-voce
1
p tr
Altair RADIOSS 模型介绍
采用单独的材料卡片文件。
不同材料仅需覆盖材料卡片文
件LAW36.txt即可，模型其他
部分无需修改。
Starter 文件
*0000.rad
Altair RADIOSS模型
壳体单元模型
定义 单元属性 材料 边界条件 载荷 。。。
Engine 文件 *0000.rad
定义 计算时间 时间步长控制 动画输出控制 。。。
Compose
1.读取真实应力-真实塑性应变曲线
pl tr
tr
必须从0开始
……
2.输入相应数据
3.自动生成LAW36卡片文件
Байду номын сангаас
Compose
4.使用Compose生成LAW36卡片在模型中验证
Compose生成文件 实验文件 RADIOSS模型文件
运行模型
应力应变关系 应变率影响 温度影响
材料破坏应变
LAW36 应力应变曲线输入
材料基本信息： 密度，模量，泊松比
轮胎滚动阻力测试方法分析
百家争鸣
2021 ・ 13
粘弹性参数，同时导入第一步的分析结果，将第一步中的应 力和应变曲线通过傅里叶级数展开得到正弦变化的应力和应
变曲线（如图1所示），一般取2级或3级即可。随后代入通 过DMA测得的材料损耗因子，通过线性回归得到各级应力应 变回归闭合曲线（如图2所示）。各级应力应变回归闭合曲线
的面积之和就是滞后损失能量。第三步，将轮胎断面上的每 个单元滞后损失能量求和，然后计算轮胎滚动一周的损失能 量，再除以轮胎的外周长，最终得到轮胎的滚动阻力值山。 采用有限单元法分析可以通过计算机模拟快速的求解出轮胎 的滚动阻力值，对分析轮胎结构变化对滚动阻力的影响更加 便捷，不需要分别制作不同的模具进行生产，仅通过计算机 前处理过程在建模时对轮胎结构进行参数修改即可，大大节 省了人力成本、模具成本和研发时间。缺点是对分析人员的 有限元分析软件操作能力、计算机配置要求较高。
Shandong, 257300) Abstract: Under the threat ofglobal warming, China has putforward the specific goal ofcarbon peaking and carbon neutralization, which
测量气压调整到初始充气压力值，再次静置lOmin后进行核
实；设定测试载荷为轮胎最大载荷的80%；输入轮胎的名义 半径；然后根据需要输入其他显示界面的内容，按照正转一 次、反转一次求均值的方法即可开始测试。通过测试得到了 轮胎的滚动阻力系数。根据轮胎的滚动阻力系数是指轮胎在 滚动过程中，滚动阻力与轮胎所受到的载荷的比值，可以求 出轮胎的滚动阻力。
2021 ・ 13
百家争鸣
当代化工研究
Modem ChemiaU Resaimli 丄0»
汽车轮胎在泥泞路面行驶过程三维有限元计算
1.2
论文选题的目的和意义
在轮胎和车辆设计过程中的诸多要求和规范中，轮胎和地面间相互作用的因素
是整个设计过程当中最基本的部分，轮胎作为车辆唯一和地面接触的部分，研究它 与路面之间的相互作用是非常必要的。 汽车行驶在泥泞的泥土路面时，由于饱和淤泥的塑性及粘性特征，轮胎和路面 之间的作用情况非常复杂，轮胎的牵引性能与干硬路面情况相比有很大不同。一方 面，在高速行驶过程中，当轮胎作用在泥泞路面上的时候，淤泥路面上的水、尘土、 油污等物质混合，形成粘度高的流体物质，高速行驶的轮胎与淤泥路面相互接触时，
1
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
这些粘性流体物质进入到轮胎花纹当中，使轮胎表面附着系数大为降低[1]，从而影响 到车辆的牵引能力、通过能力、操纵性、安全性，对于汽车造成一定的危险[2]，由于 附着系数的降低，地面不能提供足够的摩擦力，导致轮胎的牵引力下降。这个问题 都是汽车轮胎工程界非常关心的，它影响汽车的行驶性能。 国内外对于轮胎与干硬路面的相互作用研究比较深入，但是目前的研究很少涉 及轮胎在泥泞路面上的牵引性能，而这方面的研究对于汽车的行驶性能和安全性有 重要影响，是轮胎设计工程界关心的。本文利用显式时间积分的流固耦合有限元方 法，针对几种典型的轮胎，建立轮胎和泥泞路面耦合作用的计算模型，计算模拟轮 胎在泥泞路面下直线运动过程，不同轮胎在泥泞路面下牵引性能，为汽车在泥泞路 面的行驶安全和性能以及轮胎设计提供依据。
II
Computer simulation
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 担。
实心轮胎温升的有限元与试验分析
在一个周期内单位体积所耗散的能量是为 ΡΕ
tan∆, 这些耗散能量以热能形式作实心轮胎温 度场的热载荷:
Q = ΡΕ tan ∆
(3)
再根据实心轮胎的滚动线速度 Τ(km h ) 和轮胎 直径D (m ) 可确定滚动周期:
T = 3. 6ΠD Τ
(4)
式 (3)、(4) 代入式 (2) , 得节点生热率计算公
台架试验的两种载荷分别为 4500 N 、6000 N , 转速为 320 r m in (相当于 40 km h)、450 r m in (相当于 58 km h)。 试验结果列于 T ab. 3 和 T ab. 4 (环境温度 20 ℃)。
Tab. 4 Tem pera ture of polyurethane sol id tire
式:
Qϖ = ΤΡΕ tan∆ (3. 6ΠD )
(5)
式 (4)、(5) 中: Ε——工程应变。因为A N S YS 的
输出应变为对数应变, 在用式 (5) 时必须先将对
数应变转化为工程应变。
选取轮缘材料的中截面, 得到该截面的各
节点应力值 Ρ 和应变值 Ε。从而可以计算得到各
节点生热率, 即可作为热载荷施加于实心轮胎
所产生的热量 (J m 3) , 可由下式计算[4 ]:
∫ Q = Ρ(dΕ d t) d t
(1)
式中: Ρ——节点径向应力 (Pa) ; Ε——节点径向
工程应变。 轮胎转动 1 周的平均节点生热率Qϖ (J m 3
s) , 可计算为:
Qϖ = Q T
(2)
式中: T ——实心轮胎滚动周期 (s)。
T im e (h)
L o ad (N )
W h irling sp eed ( r m in)
全钢子午线轮胎胎圈耐久性能试验方法有限元验证
理论•研究第10期全钢子午线轮胎胎圈耐久性能试验方法有限元验证张伟伟，刘岩，罗哲[浦林成山（青岛）工业研究设计有限公司，山东青岛266000]摘要：对12R22.5无内胎和12.00R20有内胎全钢子午线轮胎进行有限元仿真分析，分别对有、无胎面两种模型的轮胎胎圈部位进行受力分析，对比胎体反包端点应变能密度。
结果表明，磨掉胎面轮胎的胎圈部位受力情况与正常轮胎相当，因此磨掉胎面再进行胎圈耐久性能试验能够更有效地反映正常轮胎的胎圈受力情况。
关键词：全钢子午线轮胎;胎圈；耐久性能;无胎面;有限元分析;应变能密度中图分类号：U463.341+.3;O241.82文章编号:2095-5448（2019）10-0557-03文献标志码：A DOI：10.12137/j.issn.2095-5448.2019.10.0557轮胎耐久性能是室内轮胎标准检验项目之一，是与轮胎安全性相关的强制性试验项目。
一般在直径为1.7m的试验转鼓上检验轮胎耐久性能，只有耐久性能满足要求的轮胎才能进入市场“叫当按照国家标准耐久性能试验方法进行试验时，轮胎胎肩往往会早于胎圈损坏这是由于胎面胶较厚，胎肩部位因变形产生的热量不断积累且散热较慢而导致提前损坏，发生这种情况将无法评估胎圈的耐久性能。
为解决这个问题，本工作将轮胎胎面磨掉后（如图1所示）再进行耐久性能试验，使轮胎的破坏位置能确保发生在胎圈部位（如图2所示）。
如果磨掉胎面前后胎圈部位的受力情况差距很大，这种方法将无法反映正常胎圈的耐久性图1磨掉胎面后的轮胎及其断面作者简介：张伟伟（1986-）,女，山东聊城人.浦林成山（青岛）工业研究设计有限公司工程师.学士.主要从事轮胎有限元仿真研究工作。
E-mail：wwzhang@图2胎圈破坏形式能，因此需要对比磨掉胎面前后胎圈部位的受力情况。
显然，通过测试受力来完成这项工作有一定困难，有限元仿真可以很好地解决这个问题。
1测试方案1.1胎圈部位受力判据的选取据统计，磨掉胎面后，轮胎的耐久性能试验破坏主要集中在胎体反包和胎圈包布外端点，裂纹首先在帘线端点与胶料粘合部位开始形成，然后沿着胎体帘线和胎圈包布之间的胶料扩展，最终导致轮胎失效。
有限元分析中的应力
有限元分析中的应力在有限元分析中，应力是对物体内部的力学状态的描述。
它描述了物体在受力作用下产生的应变情况。
应力可以分为正应力和剪应力两个方向。
正应力是物体内部的力在其中一截面上的投影，即单位面积上的力。
根据胡克定律，正应力与应变成正比。
正应力可以分为拉应力和压应力两种情况。
当物体受到拉力作用后，该截面上的应力为正值，被称为拉应力。
当物体受到压力作用后，该截面上的应力为负值，被称为压应力。
正应力的单位为帕斯卡(Pascal)，常用符号是σ。
剪应力是物体内部的力在其中一截面上的切向分力，即单位面积上的切力。
剪应力有时也被称为切应力。
剪应力在工程中非常重要，因为它反映了物体在受力作用下的剪切变形情况。
剪应力的单位也是帕斯卡(Pascal)，常用符号是τ。
在有限元分析中，通过计算每个单元上的位移，然后通过应力-应变关系求解每个单元上的应力。
应力的计算可以通过以下公式得到：σ=E*ε其中，σ是应力，E是材料的弹性模量，ε是应变。
有限元分析还可以计算相应的应力激活互换载荷。
这意味着，在一些特殊的情况下，我们可以通过改变结构的加载条件来获得相同的应力分布情况。
这对于优化设计非常重要，因为我们可以根据需要来改变材料和几何形状，并通过有限元分析来确定最佳的结构配置。
总之，有限元分析是一种强大的工具，用于求解结构的应力分布情况。
通过计算每个单元上的位移，并应用应力-应变关系，我们可以得到结构的应力分布情况。
应力分析在结构设计和优化中起着至关重要的作用，帮助工程师确定合适的材料和几何形状，并最大程度地减少结构的应力集中。
13r22.5无内胎全钢载重子午线轮胎胎踵裂原因分析及改善措施
᩼ ጫ Ӊ ࣊ ࡎ
᩼ ጫ Ӊ ࣊ ࡎ
1. 1 mm，采用U形包结构，如图5所示。
方案3：除了钢丝加强层外敷贴锦纶包布层采
用L形包结构（见图5）外，其余同方案2。
图3 轮胎胎圈部位与轮辋匹配示意
随着轮胎旋转，挤压部位的变形会周而复始； 中短途运输市场的短距离频繁刹车和转向等操作 使轮辋温度升高并传递至胎圈部位；应力、应变和 高温下胶料老化，物理性能下降，开始产生微小裂 口，继续使用后裂口不断扩大，形成胎踵裂。
OSID开放科学标识码 (扫码与作者交流)
轮胎的发展方向之一是无内胎化。有内胎轮 胎冠部材料厚、散热慢，在车辆行驶时内胎与外胎 之 间 存 在 微 摩 擦，生 热 增 大，且 不 易 散 热，导 致 轮 胎快速升温，高速行驶情况下易出现肩空、肩裂， 且刺扎易立即漏气[1]。无内胎轮胎的优势在于安 全 性 高、质 量 小、速 度 快、滚 动 阻 力 低。 无 内 胎 轮 胎 在 胎 里 有 一 层 气 密 层，刺 扎 后 不 会 立 即 漏 气 或 漏 气 极 慢；因 不 需 要 配 备 内 胎 和 垫 带 而 使 轮 胎 质 量减小，滚动阻力降低；轮辋直径比同外直径的有 内胎轮胎大，制动性能好。
13R22. 5无内胎全钢载重子午线轮胎在国内 主 要 用 于 重 载 市 场，非 重 载 市 场 使 用12R22. 5和 11R22. 5规格轮胎即可满足载重需求。在东北地 区 中 短 途 运 输 市 场，13R22. 5轮 胎 替 换12. 00R20 轮胎比率最大，运输距离在200 km以内、前四后八 车型局部地区替换比率达到80%以上，但是在重载 情况下13R22. 5轮胎易出现早期胎踵裂问题，如图 1所示。如果胎踵裂后继续使用，裂口扩张增大爆 胎 风 险，而 出 现 胎 踵 裂 不 能 继 续 使 用 则 对 客 户 和 厂家都造成较大损失。