基于ANSYS的汽車輪胎有限元分析

劉野，廉哲滿

（延邊大學(xué) 工學(xué)院 機械工程系，吉林 延吉 133002）

0 引言

輪胎作為汽車的一個重要部件，它的主要功能是將驅(qū)動力、制動力、轉(zhuǎn)向力傳遞給地面，支撐負荷以及和汽車懸掛共同作用來緩和汽車行駛時所帶來的沖擊影響，從而保證汽車具有良好的舒適性和平穩(wěn)性［1-2］，因此汽車各種性能的好壞與輪胎的性能有直接關(guān)系。分析其變形及其性能，可為輪胎設(shè)計與改進提供有價值的參考依據(jù)。

1 輪胎的建模

輪胎的建模方法有很多種，本文主要是利用三維造型軟件CATIA 對輪胎進行建模，輪胎建模的基本步驟如下：

1）在Sketcher（草圖）上繪制輪胎的外部輪廓，然后根據(jù)數(shù)據(jù)編輯輪胎的尺寸。Sketcher 繪制是3D 設(shè)計的重要手段之一，它擁有與二維軟件功能相近的平面輪廓設(shè)計功能，同時可將輪廓轉(zhuǎn)化為三維實體。通過該功能模塊可以設(shè)計較復(fù)雜的平面輪廓線［3］，該功能非常適用于繪制由多段曲線組合而成的輪胎內(nèi)外輪廓。

2）完成輪胎草圖后，通過旋轉(zhuǎn)體命令建立輪胎的立體模型，建立凹槽，通過圓弧陣列凹槽，完成輪轂繪制。

3）通過曲面造型功能，在Sketcher 的輪胎輪廓的旋轉(zhuǎn)曲面上直接繪制花紋。在輪胎花紋的繪制過程中，依據(jù)設(shè)計的多方位要求并與靈活的后參數(shù)化功能相結(jié)合，使得輪胎輪廓的曲線參數(shù)、花紋溝寬、溝深和角度等相關(guān)參數(shù)可隨時根據(jù)要求進行更改。

4）運用鏡像命令，復(fù)制1/2 輪胎，完成輪胎的建模。

CATIA 中創(chuàng)建完成的輪胎模型如圖1 所示。

圖1 輪胎模型

2 輪胎的有限元分析

2.1 導(dǎo)入模型并選擇單元類型

圖2 ANSYS 中的輪胎模型

將上述在CATIA 中建模好的輪胎進行裝配，通過ANSYS 與CATIA 接口將模型導(dǎo)入到ANSYS 中，以面代體，然后定義單元類型，導(dǎo)入ANSYS 中的輪胎傳動模型如圖2 所示。

2.2 定義材料屬性

實體模型只代表物體的幾何模型，還需要定義材料屬性。本文采用ANSYS 所提供的SOLID45 體單元和SOLID46 層單元，使用直接定義單元的方法對輪胎整體的三維有限元模型材料屬性進行定義。對于各向異性材料的部位，采用SOLID46 層單元模擬，從而很好地解決了胎體內(nèi)部因材料多、尺寸小等而引起的模擬困難問題，進而使輪胎內(nèi)部的實際構(gòu)成得到較真實的再現(xiàn)。胎體等使用復(fù)合材料的部位采用SOLID46 三維層單元模擬。橡膠部分采用SOLIDl85 單元，胎圈采用SOLID45 單元［4］。

2.3 劃分網(wǎng)格并施加約束和載荷

圖3 ANSYS 中的輪胎的網(wǎng)格劃分

圖4 輪胎充氣壓力狀態(tài)下的等效應(yīng)力圖

圖5 輪胎充氣壓力狀態(tài)下的等效應(yīng)變圖

定義完成各部分單元類型后就可以進行網(wǎng)格劃分，本文采用自由網(wǎng)格的劃分方式。胎面部受力情況、變形情況比較復(fù)雜，自由網(wǎng)格劃分對實體形狀沒有特定要求，適用于所有模型。本文主要分析輪胎在充氣壓力下的變形，查看其應(yīng)力圖，計算不需要太精確，做簡單的網(wǎng)格劃分，可以縮短計算時間。因此，選用自由網(wǎng)格劃分，施加規(guī)定的充氣壓力730 kPa 情況來計算，在實際加載過程中，對胎圈處與輪輞接觸面進行全面約束，即固定輪胎的中心軸［5］。然后向輪胎的內(nèi)胎面施加均布載荷，即輸入所需求的氣壓值。因為輪胎的形狀在充氣過程中會發(fā)生顯著的變化，所以輪胎的充氣壓力與輪胎的變形之間有著非線性的關(guān)系。由于這種非線性關(guān)系的存在，為了使得到的分析結(jié)果更加精確，在求解的過程中需要把氣壓分成若干小步，然后逐步進行加載，從而保證將壓力載荷直接加到單元相應(yīng)的面上（輪胎內(nèi)表面）［6］，使得每處的壓力均垂直于該面。

2.4 有限元分析結(jié)果圖

1）由輪胎在標準氣壓730 kPa 充氣狀態(tài)下VonMsies應(yīng)力分布情況可知，從胎冠到胎側(cè)中部的應(yīng)力基本呈增大趨勢，而從胎側(cè)中部到接近胎圈的部位，應(yīng)力又減回到最小值，如圖4 所示。

2）由輪胎在標準氣壓730 kPa 充氣狀態(tài)下應(yīng)變分布情況可知，應(yīng)變最大處在帶束層邊緣與胎肩墊膠的交界處，其次為胎側(cè)區(qū)域。胎側(cè)為比較柔軟的簾布層，剛性較小，在接觸過程中胎側(cè)向外側(cè)膨脹，其尺寸有所增加且中部鼓出最為明顯，胎側(cè)向胎肩逐漸過渡的部位，變形逐漸減?。?］，可見簾布層對輪胎的整體變形情況影響較大，如圖5 所示。

3 結(jié)語

本文首先利用CATIA 軟件繪制輪胎的三維模型，然后利用ANSYS 軟件進行有限元分析，在標準充氣氣壓下，對輪胎的應(yīng)力、應(yīng)變情況進行研究分析。研究結(jié)果表明，在充氣狀況下，輪胎胎側(cè)向外膨脹，胎冠略向上移，變化小于胎側(cè)，與輪胎實際充氣變形相比，變形情況基本符合實際情況。

［1］季天劍，高玉峰，陳榮生.轎車輪胎動力滑水分析［J］.交通運輸工程學(xué)報，2010（5）：57-60.

［2］劉娜.子午線輪胎水滑動態(tài)特性有限元分析［D］.濟南：山東建筑大學(xué)，2013：19-23.

［3］丁海峰，邵志民，王傳鑄，等.CATIA 軟件在輪胎三維設(shè)計中的應(yīng)用［J］.輪胎工業(yè)，2004，24（4）：119-202.

［4］張紅軍.基于ANSYS 的汽車輪胎有限元分析研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2005：7-10.

［5］李輝.子午線輪胎充氣及靜態(tài)接觸狀態(tài)下的有限元分析［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006：11-20.

［6］王云龍，王強，齊曉杰，等.子午線輪胎建模及駐波仿真研究［J］.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報，2012，26（3）：35-39.

［7］王強.基于Pro/E 與ANSYS 載重車輛輪胎有限元分析［J］.交通科技與經(jīng)濟，2009，11（1）：13-17.