轮胎是汽车的重要组成部件,其主要功能是支撑载荷,向地面传递制动力、驱动力和转向力,以及缓冲减振。轮胎对汽车的性能具有十分重要的影响,它不仅影响汽车的行驶性能、经济性和平顺性,而且影响汽车的环保性能和运输效率。 

        在近三十年来,随着有限元技术的不断发展,有限元已经成为子午线轮胎结构分析和设计的主要手段,并且结构分析日益精细化,且逐渐减少或替代了相关实验。但是,轮胎的CAE分析是一个非常复杂的问题,轮胎本身具有非常复杂的截面组成;组成轮胎的橡胶材料、增强钢丝等存在典型的非线性行为,同时轮胎的分析涉轮胎与路面,胎面与胎体等等复杂的接触行为。

 ▶轮胎建模那些事

首先明确:
分析的目标:全局分析还是局部分析?
分析类型:频率提取;印迹分析;稳态滚动或者是瞬态分析?
载荷:对称还是非对称(二维还是三维)?
材料类型:可压缩还是不可压缩?
接触部分:刚体还是变形体路面和轮辋?
网格的选择:
均匀网格划分:对于拉格朗日滚动和频率提取,要求周向网格均匀划分;
精细的局部划分:印迹分析和稳态滚动分析;
单元与建模工具:
梁和 trusses 单元:模拟胎圈加强层;
壳单元:传统单元和实体单元可以模拟全局模型中的层/复合壳;
实体单元:所有的组件依赖于需要的精细等级(帘布,胎冠,胎圈加强层) ;
各向异性材料的膜单元:气密层和带束;
Rebar 单元:实体中的简单 rebar(胎圈加强层)和实体或者膜单元中的面内 rebar(气密层和带束层的加强层) ;
刚体单元:轮辋和路面。

 ▶案例:基于 rebar 单元的载重子午线轮胎模型建立及验证

      

      方案亮点:

        采用 ABAQUS有限元商业软件并基于rebar单元建立12100R20载重子午线轮胎的有限元模型。对比轮胎载荷 -下沉量仿真模拟和试验结果, 确定该建模方法的可行性。

      案例概览:


  有限元模型的建立
  模型简化
  帘线 -橡胶复合材料模型建立
  橡胶本构模型选择
  单元选择
  接触模拟
  轮胎有限元分析模型建立
  模型分析及验证
  模型分析
  轮胎变形


 ▶F1赛事中的轮胎


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 ▶案例:轮胎稳态滚动阻力的理论及仿真分析


      

      方案亮点:

        采用热力学半耦合的分析方法,对子午线轮胎稳态滚动阻力进行了有限元分析建立起了一套完整的轮胎变形-能耗-传热分析系统和计算流程。

      案例概览:

        1. 轮胎滚动阻力的产生机理;
        2.轮胎有限元模型;
        3.轮胎充气及载荷下的有限元分析;
        4.轮胎滚动阻力分析。
        结论:在一定的速度和充气压力下,滚动阻力及滚动阻力系数会随载荷的增大而增大;在一定的速度和垂直载荷下,滚动阻力会随轮胎充气压力的增大而减小。轮胎的滚动阻力和滚动阻力系数会随着稳态速度的增大而减小。

      仿真前提条件:

  轮胎橡胶材料的非线性 考虑
  帘线--橡胶材料的各向异性 考虑
  轮胎大变形导致的各向异性 考虑
  轮胎与轮惘的装配 考虑
  轮胎与路面的接触非线性边界条件 考虑

 ▶案例:轮胎滚动阻力对整车燃油经济性的影响


 

      降低轮胎滚动阻力的措施:

        1.采用子午线结构的轮胎;
        2.轮胎轻量化;
        3.提高轮胎气压;
        4.改变轮胎结构和胎面橡胶配方。


基于Abaqus的轮胎分析

  ▶专家工作室


白长安:硕士,高级工程师,毕业于上海工程技术大学汽车工程学院,获得车辆工程专业硕士学位。曾参与变排量叶片式机油泵研发、机油泵振动噪声测试与仿真优化、空调通风口喷流噪声分析、汽车后视镜风噪声预测、管道声传播研究以及建筑声学预测仿真分析等多项咨询项目。


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