基于ABAQUS的子午线轮胎有限元分析

冯聪利 小松

摘要：轮胎是橡胶工业生产中重要的产品之一，汽车在行驶过程中，与地面接触的唯一的执行部件就是轮胎。轮胎的各项技术参数对汽车的使用性能有着重要影响与决定作用。随着当代社会车辆对轮胎的安全性能和使用寿命要求越来越高，因此研究轮胎对汽车燃油的动力性、制动性、操纵的稳定性、经济性等各项指标很有意义。本文以ABAQUS软件为载体，以12.OOR20 18PR载重子午线轮胎为研究对象，模拟轮胎在静载状态下的应变量和下沉量，为后续研究轮胎在不同速度、载荷、轮胎气压及地面摩擦系数的工况下应力场和温度场的变化规律奠定一定理论基础。

关键词：载重子午线轮胎;有限元分析;静载状态

1 引言

轮胎作为汽车的重要支撑部件，影响着汽车的舒适性和安全性，随着对高速性和越野性要求的不断增强，对轮胎的要求也更高[1]。子午线轮胎的带束层、帘布层是主要受力部件，承受气压、载荷并且缓冲轮胎受到的外部冲击[2]。轮胎在使用过程中力学性能会逐渐降低，一直以来，国内外科研机构及轮胎生产制造厂家都把轮胎失效机理的研究与如何降低成本提高轮胎的使用寿命作为重点问题进行不断的研究探讨[3]。文献[4]主要是对子午线轮胎胎面磨损性能进行有限元分析，以及在ABS制动状态下对胎面花纹磨损进行研究。文献[5]研究了不同工况参数对轮胎磨损性能的影响，并对轮胎的帘线参数和胶料性能进行优化，得出了轮胎在不同工况下的磨损特征。文献[6]考虑轮胎材料、几何及其与地面接触的非线性，借助ABAQUS软件建立了子午线轮胎滚动瞬态碰撞的三维有限元模型，并与轮胎径向刚度试验结果对比验证了模型的有效性。因此利用有限元分析软件解决轮胎问题的可靠性和准确性受到人们的广泛关注，同时也为开发、设计制造出更加安全、稳定、舒适的轮胎提供了有力的工具和重要的参数。

2 子午线轮胎概述

2.1 子午线轮胎基本结构

子午线轮胎的结构、材料的组成都非常复杂。一般情况下，轮胎是由橡胶及帘线组成的复合体，主要由胎冠、胎侧、胎圈组成其断面结构，如图1 （a）所示。胎面、带束层、帘布层和胎肩垫胶等组成为共胎冠;胎侧胶、帘布层为胎侧部分且位于外胎侧部，主要作用是保护帘布层不受到损坏;钢丝圈、钢丝圈填充胶、帘布层和胎圈钢丝加强层等构成其胎圈部分，其主要作用是使轮胎贴紧在轮辋上，防止轮胎与轮辋脱离，并承担轮胎与轮辋之间的相互作用力。如图1 （b）所示：

2.2子午线轮胎破坏类型

轮胎在行驶过程中由于受到地面摩擦、周期性载荷、以及橡胶骨架之间摩擦的共同作用，会产生变形和滞后损失现象，从而使胎面温度升高根据热传递原理会导致整个轮胎温度升高进而造成轮胎结构的破坏而使其综合力学性能下降。

子午线轮胎破坏形式有机械破坏、热破坏、疲劳破坏三种形式。这三种破坏形式关系密切，机理复杂。

2.3子午线轮胎损耗机理分析

热破坏是轮胎破坏的最主要的形式之一，轮胎在行驶过程中，产生热源的形式主要有两种：一种是轮胎行驶时与地面之间的摩擦作用产生的热量;另一种热源来自周期性的应力应变引起粘弹材料的滞后损失。

影响轮胎磨损的主要因素包括：轮胎结构;胎体骨架材料;轮胎气压;车辆的行驶速度;路面的影响。

3 子午线轮胎材料参数确定及有限元模型建立

利用大型非线性有限元分析软件ABAQUS建立矿用12. OOR2018PR全钢载重子午线轮胎断面轮廓图、二维轴对称有限元模型的建立、边界条件的确定以及仿真参数的设置，准确的建立轮胎网格模型，使得仿真结果精确，进而为后续研究不同工况下轮胎的应力场及温度场的分析奠定一定的基础。

3.1 子午线轮胎材料参数确定

子午线轮胎实物如图2 （a）所示，轮胎截面结构如图2 （b）所示，本文研究对象全钢载重子午线轮胎12. OOR20

18PR主要技术参数如表l所示。

3.2子午线轮胎几何模型建立

本文运用机械设计软件ANSYS建立轮胎截面、轮胎分割线、加强筋曲线、轮胎分割区域，保存为“stp”通用格式，然后导入到ABAQUS之后的进行零部件的建立，建立的轮胎截面、加强筋截面、上下轮辋零件如图3所示，其中轮胎的截面类型应当为（ deformable），基本单元为壳单元（shell）;加强筋曲线类型可变形（deformable），基本单元为线单元轮辋类型解析刚体（ Analyticalrigid），同时在轮辋上设置2个参考点;之后对建立的零件进行装配，装配后的轮胎截面模型如图4所示。

在对矿用12. OOR2018PR全钢载重子午线轮胎建模时为了减小仿真时间、提高计算结果的收敛性以及效率，对轮胎的二维模型进行了简化：1）只考虑了轮胎的周向花纹，忽略了轮胎的径向花纹;2）地面和轮辋在仿真过程中设置为刚性材料;3）轮胎的几何结构视为轴对称模型;4）忽略轮胎表面的磨损指示标记、凹陷的外形轮廓以及规格标识等部位：5）简化胎肩部位的轮廓曲线。

3.3网格划分及网格模型建立

分别定义轮胎、加强筋等网格，并设置相应的网格类型和网格大小，其中轮胎网格尺寸大小设置为8 （Approximate global size），Element Library选为Standard， Family选择Axisymmetric Stress， Geometric Order选择Linear模式，同時选择三角形（Tri）和四边形（Quad）杂交网格类型;加强筋网格尺寸大小控制为5，曲率控制为0.1，网格类型为Surf ace，Geometric Order选择Linear模式;轮辋设定为刚性，不划分网格，划分后的二维网格如图5所示，轮胎轮辋划分后的有限单元体模型如图6所示;

由于轮胎截面具有对称性，利用tSYMMETRICMODELGENERATION. REVOLVE， TRANSPORT， ELEMENT-3000，NODE=3000”命令在ABAQUS的全局柱坐标系下对节点进行增量复制，节点增量为3000，同时建立路面的仿真模型，并在与地面接触区域适当加密节点，利用160.，5，，C40.，20，，G160.，5，，C命令完成网格加密处理，操作完成后得到三维网格模型如图7所示。

3.4边界条件的施加

首先在ABAQUS中的interaction模块分别设定轮辋和轮胎之间的表面为相互作用面，如图8所示，之后在interactionProperty Manager中并设定切向接触之间的摩擦系数为0.2，法向之间的接触选择默认选项。最后在Constraint Manager中把骨架材料嵌入到相应的区域中，类型方式选择Embedded region。

在定义完相互作用之后，利用ABAQUS中的Load模块在轮胎的内表面定義充气压力，最后在Boundary Condition Manager定义约束条件，设定轮辋的2个参考点限制其2个自由度为0，用于模拟轮胎的静止状态，结果如图9所示：

4 结论

利用ABAQUS有限元法，完成矿用12. OOR20

18PR全钢载重子午线轮胎的几何建模、网格划分、三维网格模型建立及边界条件施加。为后期利用有限元模型分析轮胎装配后应力变化，轮胎完成充气后断面的应力场变化，模拟轮胎静载状态下的应变量及下沉量，为后续研究不同速度、载荷、轮胎气压及地面摩擦系数的工况下应力场和温度场的变化规律奠定一定理论基础。

参考文献：

[1]付振山，于春玲.基于ANSYS子午线轮胎静态特性的有限元分析[J].现代机械，2017（ 06）：38-40.

[2]哈斯巴根，朱凌，石琴，等.轮胎有限元建模过程优化及刚度特性仿真研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2015，38（7）：944-948.

[3]张长生，马荣国山区高速公路交通事故分析及多发路段鉴别[J].长安大学学报，2010，30（ 06）：76-80

[4]李良.子午线轮胎胎面磨损性能的有限元分析[J]橡塑技术与装备，2019，45 （15）：47-49.

[5]赵亚元子午线轮胎胎面磨耗性能的有限元分析[D]青岛：青岛科技大学，2015.

[6]洪振宇，田炜，邹丽琼.子午线轮胎的滚动瞬态碰撞有限元分析[J].机械设计与制造，2018（ 06）：147-150

作者简介——

冯聪利：（1984-），女，陕西周至人，讲师，硕士，主要研究方向为机械设计制造及其自动化专业。

解小松：（1985-），男，陕西周至人，电气工程师，主要研究方向：电气自动化。