带复杂花纹载重子午线轮胎有限元分析

摘要

胎面花纹是轮胎重要参数之一，它对轮胎的行驶性能和使用寿命有着直接的影响。20世纪70年代，有限元分析方法在轮胎工程中得到了广泛的应用，然而由于轮胎花纹的复杂性，传统的轮胎三维有限元分析都对轮胎模型做了简化，或是完全忽略了胎面花纹或是仅有周向花纹沟。然而，这种简化的模型会使某些主要性能的计算结果与实际情况存在较大差距，特别是那些与花纹相关的性能。因此，为了对轮胎的性能进行更真实有效的研究，有必要发展和完善带复杂花纹轮胎有限元分析技术。近十年来，许多研究人员对这一课题进行了积极探索，但相关建模和分析技术仍有许多不足之处。本文就是在这一背景下围绕此课题展开的。
　　 本文根据组合类保角映射簇建模法的基本原理，利用载重子午线轮胎子午面内二维胎面的外轮廓曲线为圆弧的特点，对组合类保角映射簇建模法进行了简化，使之成为组合二次周向保角映射建模法，实现了从曲面到平面的转换。这种建模方法能够真实有效地模拟复杂的胎面花纹形态，并得到完全的、质量较高的六面体网格。
　　 基于ABAQUS有限元软件，采用组合二次周向保角映射建模法，针对12.00R20全钢丝载重子午线轮胎，建立了一个带有复杂胎面花纹的轮胎有限元模型，并探讨了相关建模技巧。将静负荷工况下的有限元计算结果与国标中有关数据进行比较，结果表明，有限元模型的建立是合理的。
　　 对上述模型进行了静负荷、自由滚动、制动、驱动、侧倾滚动工况下的接地性能分析，考察了不同滚动工况对轮胎接地性能的影响。采用定义白接触面的方法，对不同滚动工况下花纹沟的闭合情况进行了初步研究，结果表明，通过定义自接触面研究花纹沟闭合情况的方法是可行的。考察了在与路面接触过程中，花纹沟内空气体积的变化情况，为轮胎的胎面花纹设计提供了理论参考。
　　 采用先隐式后显式算法的求解策略，模拟了滚动轮胎通过余弦凹坑的动态过程，分析了轮胎在过凹坑过程中的受力、变形和接地压力分布等力学特性，探讨了路面凹坑对轮胎骨架结构受力特征的影响。