子午线轮胎结构有限元分析和设计原理的若干问题研究.pdf
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中国科学技术大学博士学位论文子午线轮胎结构有限元分析和设计原理的若干问题研究姓名:
李炜申请学位级别:
博士专业:
固体力学指导教师:
夏源明20030601摘要近三十年以来,随着有限元技术的发展,有限元分析已经逐渐成为子午线轮胎结构分析的主要手段。
目前这一领域还存在一些亟待解决的问题,主要可概括为两个方面,一是针对高度非均匀、高度各向异性的轮胎结构,有限元分析技术自身还有待发展,既需要提高求解效率又需要提高分析精度,特别是在一些结构非常复杂、变形和应力梯度极大的局部区域,以及涉及非轴对称的一些局部结构:
二是对轮胎结构的一些带规律性的基本特征还缺乏系统深入的研究。
另外,平衡轮廓形状理论是轮胎结构初步设计的最主要依据,而经典的子午线轮胎平衡轮廓形状理论还不够完整,而且关于带柬层压力分担率的假设也与实际情况有很大出入,总之文献报道的经典理论实际上还难以应用。
本文针对上述子午线轮胎结构有限元分析和设计原理中存在的问题开展了较系统的研究。
针对轮胎中实际使用的各种橡胶材料的单向拉伸测试结果。
在现有橡胶材料本构模型中选择出能较好表征本文所研究的橡胶材料力学性能的Yeoh模型,得到了相应的材料参数;对轮胎骨架材料拉伸力学性能进行了实验研究,由钢丝帘线的等效拉伸应力应变曲线确定了帘线的材料模型和参数。
上述轮胎材料力学性能的研究满足了本文轮胎结构有限元分析的需要。
以ABAQUS软件为基础,形成了从装配、充气、静负荷、驱动、自由滚动到制动等工况下轮胎结构分析的求解策略,并对有限元计算结果进行了必要的考评;还针对子午线轮胎的两个显著薄弱部位分别实现了适合各自结构特点和变形特征的局部精细分析。
对1000R20轮胎结构进行了多工况的有限元分析计算,分别对典型工况下子午线轮胎骨架结构和橡胶结构的受力和变形特征进行了系统的研究,总结了一些基本规律。
(1)揭示了轮胎工况对三部分骨架结构(胎体帘线、带束层帘线和钢丝圈钢丝)的受力具有明显不同的影响即钢丝圈受力主要取决于充气压力,而轮胎接地以及驱动等因素对钢丝圈受力几乎没有影响:
带柬层帘线受力的大小和分布均明显受到轮胎接地和驱动等因素的影响:
胎体帘线受力的大小和分布也受到轮胎接地和驱动等因素的影响,但影响的程度不及带柬层帘线。
(2)给出了胎圈部橡胶结构中的几个危险区域的位置,并揭示了轮胎工况对这些危险部位受力和变形的影响规律,即与充气状态相比,多数危险区域在接地影响区内的受力明显减小,但一些受轮辋接触影响的危险区域在接地影响范围内的受力明显增加;与静负荷状态相比,驱动状态会加大接地影响范围并加剧影响程度;轮胎在超载时需相应增加充气压力,从而导致充气压力对胎圈部的影响程度远远大于其它轮胎工况的影响。
对1000R20轮胎的胎冠部和胎圈部进行了精细有限元分析,这是目前文献中未见到的最精细的成功的局部分析。
指出了胎冠部橡胶中的危险区域位置,并揭示了这些危险区域受力和变形状态明显受到轮胎接地和胎面横向花纹的共同影响,且在带束层端部,横向花纹甚至超过接地压力的影响程度;揭示了胎圈部的主要变形模式,即胎体层帘线的“抽出”位移趋势和钢丝圈截面的转动位移控制了整个胎圈部的变形,并造成胎体反包端部出现严重的剪切变形:
根据胎圈部的这种变形模式,提出了改善载重子午线轮胎子口部位性能的具体方案,佳通轮胎有限公司所做的耐久性测试结果表明改进方案有显著效果。
建立了胎体弦模型等轮胎骨架结构的解析模型,更直观地分析了胎体层、带束层和钢丝圈之间相互作用的主要特征以及它们对轮胎载荷的分配比例;还将简化的解析模型与组合有限元模型结合起来,研究了带束层结构参数对胎体轮廓形状和胎圈部骨架构件受力的影响规律,揭示了胎体层可以通过其自身轮廓形状的微小变化而起到“缓冲”作用,即胎体层显著减弱了胎冠部结构参数的变化对胎圈部结构受力的影响;还给出了将轮胎结构参数按照其影响范围进行分类的基本框架。
利用有限元分析得到了带束层压力分担率,并分析了轮胎初始形状参数和带柬层结构参数对带束层压力分担率的影响,揭示了带柬层压力分担率沿宽度分布有明显分段特征,而分段点的位置与轮胎的初始设计参数有关。
提出了修正的子午线轮胎平衡轮廓形状理论,这一修正的理论包括胎体弦模型、由薄膜平衡微分方程退化得到的胎体弦平衡微分方程、平衡条件下胎体弦曲线的积分方程、积分方程的定解条件、以及胎体弦哇甘线方程的数值迭代解法。
这一修正理论与文献报道的经典理论不同,它首先是完整的,可直接应用于子午线轮胎平衡轮廓的设计;该修正理论的另一主要特点在于考虑了分段点的位置对带束层压力分担率和胎体平衡轮廓的影响,这更符合子午线轮胎结构的实际特点,也更适应子午线轮胎平衡轮廓设计的客观要求。
ABSTRACTInrecentthreedecadesFiniteElementAnalysis(FEA)hasgradllaIlybecomethemainmethodtoallalyzethestructureofradialtirealongwiththedevelopmentofthefiniteelementtechniqueAtpresentproblemspendinginthisfieldcallbegroupedundertwoaspectsOneisthatinallusiontothehigIllyinhomogenenus,anisotropicfirestrucUlm,thedevelopmentforFEAtechniqueitselfneedstoimprovenotonlytheefficiencyofenalysisbIIt也eprecisionofanalysis,especially,inthelocalregioninvolvingverycomplexstructuresandquitelargegradientsofdeformationendstressaswellasthelocalstructurepresentingnonexisymmetryTheotheristhatthesystematicandin-depthresearchisdefectiveonthebasicfeatureswithregularitiesintimStTUCtureInaddition,theEquilibriumContourShapeTheory(ECSDisthemostprimarybasisfortheinitialdesignoftiresmlgtmt,whiletheclassicalECSTofradialtireisstillpremature,andtheassumptionaboutthebeltspressureallotmentratiodoesnotaccordwiththepractice,too,sothattheclassicaltheoryaccordingtoliteraturesisstilldifficulttobcapplied俐sdissertationmakesamoresystematicstudyonaboveproblemsinthestructuralF队anddesigntheoryoftheradialtireBasedontheaniaxialtensiontestresultsofeverykindofrubbercompoundsinthepracticalapplicationoftire。
weselectYenhmodel,whichcanck啦蚓嘲巾鹭mechanicalpropertiesofthesecompoundsmoreaccuratelythantheotherexistinghyperelasticconstitutivemodels,andobtainthecorrespondingmaterialparamatgrs11碡experimentalstudyonthetensionpropertiesoftheskeletonmaterialsintireisalsocarriedout,andthematerialmodelandparamatersmdeterminedbaseontheequivalentstressandstraincurvesintensionAbovestudyonthemechanicalpropertiesofmaterialsin血satisfiestheneedofFEAsimulationoftirestluetureinthisdissertationWiththeapplicationofABAQUSsoftware,theFEAsolvingstrategyoftiresffuctureisfoundedwiththecasesfromassembly,inflation,5ULIicloading,drivingandfreerollingtobrakingTheresultsofFEAareevaluatednecessarilyMoreoverinallusiontothetworegionsweakremarkablyinradialtirerespective魄werealizethelocalrefinedanalysesagreeingwithfeaturesofeachstructureaswellasi扭deformationchal-actersFEAcalculationsa坞carriedoutinmanycas船ofthe1000R20TirestructureSystematicstudyontheloadenddeformationchartersoftheskeletonstructureandrubberstructureundereachcaseiscarriedoutrespectively,andsomebasicrulesareinduced
(1)itisshownthatthetirecasesmakesdistinctlydifferenteffectsofftheloadinthethreepartsofskeletonstructure(carcasscordsbeItscordsandbeadsteelwires)TheloedinbeadismainlydeterminedbyinflationpressureContactwithgroundandthedrivingfactorhardlyaffecttheloadinbead,butdistinctly,influencethemagnitudeanddistributionoftheloadinbeItscords,whileinfluenceofthesetwofactorsonthecarcasscordsislessthanthatonthebeIts
(2)Positionsofthedangerousregionsinrubberstructureofheedaregiven,andtheinflneneerulesoftirecasesoiltheloedanddeformationinthesedangerousregionsaresummarizedComparingwiththeinflationcase,theloaddecreasesdistinctlyforquiteafewclengerousregionsincontactsectionwithgroundHoweverforsomedangerousregionsinfluencedbythecontactwiththerim,theloadincreasesdistinctlyComparingwiththestaticloadingcase,thedrivingcasemagnifiesinfluencerangeofthecontactwithgroundandintensifiestheinfluencedegreeWhenoverloading,tireneedincreasetheinflationpressureso吐laltheinfluencedegreeofinflationpressureonthebeadismoreprominentthanthatinotherstatusRefinedFEAiscardedoutoffthecrownandthebeadareasoflOOOR20Tirewhichisthesuccessfulfinestlocalanalysisnotyetgivenintheliteraturesatpresent11Iedangerouspositionsinthecrownrubberarepointedoutanditisnoticedthattheinadandthedeformationinthesedangerousmginnsaredistinctlyinfluencedbyboththetread-groundcontactandthetransversalgroovesIntheendsofbel乜influencedegreeoftransversalgroovesevenexceedsthatofcontactDrsu地Thcmaindeformationmodeofbeadareaisprompted,thatdeformationofthewholebeadamiscontrolledbythe“drawingoutdisplacementtrendandtherotationdisplacementofthesteelbeadsectioninducingseveresheardeformationintheendsofbodyplyBasedonthismodeinthisdissertationaconcreteprojectisgivantoimprovethepropertiesofbeadareainradialtrucktire11kresultofendurancetestexecutedinGrandtourTire“nhz卅Co,LtdshowsthattheimprovedprojectisveryefficientAnalyticalmodelsoftheskeletonstructureintadialtimsuchasthecarcasschordmodelfifeestablished。
throughwhichweanalyzethemaincharactersoftheinteractionbetweencarcass,bcl乜andsteelbead,tkSwell稿theirshareratiotothetimloadCombiningthesimplifiedaruflyacalmodelandthecombinedFEmodelwestudytheinfluencerulesofthestructoralparametersofbeItsonthecnteurshapeofcarcassandtheloadintheskeletoncomD0nentsofbead,e
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