基于ANSYS的汽车轮胎有限元分析

2014-11-22刘野廉哲满

机械工程师 2014年3期

刘野，廉哲满

（延边大学工学院机械工程系，吉林延吉 133002）

0 引言

轮胎作为汽车的一个重要部件，它的主要功能是将驱动力、制动力、转向力传递给地面，支撑负荷以及和汽车悬挂共同作用来缓和汽车行驶时所带来的冲击影响，从而保证汽车具有良好的舒适性和平稳性［1-2］，因此汽车各种性能的好坏与轮胎的性能有直接关系。分析其变形及其性能，可为轮胎设计与改进提供有价值的参考依据。

1 轮胎的建模

轮胎的建模方法有很多种，本文主要是利用三维造型软件CATIA 对轮胎进行建模，轮胎建模的基本步骤如下：

1）在Sketcher（草图）上绘制轮胎的外部轮廓，然后根据数据编辑轮胎的尺寸。Sketcher 绘制是3D 设计的重要手段之一，它拥有与二维软件功能相近的平面轮廓设计功能，同时可将轮廓转化为三维实体。通过该功能模块可以设计较复杂的平面轮廓线［3］，该功能非常适用于绘制由多段曲线组合而成的轮胎内外轮廓。

2）完成轮胎草图后，通过旋转体命令建立轮胎的立体模型，建立凹槽，通过圆弧阵列凹槽，完成轮毂绘制。

3）通过曲面造型功能，在Sketcher 的轮胎轮廓的旋转曲面上直接绘制花纹。在轮胎花纹的绘制过程中，依据设计的多方位要求并与灵活的后参数化功能相结合，使得轮胎轮廓的曲线参数、花纹沟宽、沟深和角度等相关参数可随时根据要求进行更改。

4）运用镜像命令，复制1/2 轮胎，完成轮胎的建模。

CATIA 中创建完成的轮胎模型如图1 所示。

图1 轮胎模型

2 轮胎的有限元分析

2.1 导入模型并选择单元类型

图2 ANSYS 中的轮胎模型

将上述在CATIA 中建模好的轮胎进行装配，通过ANSYS 与CATIA 接口将模型导入到ANSYS 中，以面代体，然后定义单元类型，导入ANSYS 中的轮胎传动模型如图2 所示。

2.2 定义材料属性

实体模型只代表物体的几何模型，还需要定义材料属性。本文采用ANSYS 所提供的SOLID45 体单元和SOLID46 层单元，使用直接定义单元的方法对轮胎整体的三维有限元模型材料属性进行定义。对于各向异性材料的部位，采用SOLID46 层单元模拟，从而很好地解决了胎体内部因材料多、尺寸小等而引起的模拟困难问题，进而使轮胎内部的实际构成得到较真实的再现。胎体等使用复合材料的部位采用SOLID46 三维层单元模拟。橡胶部分采用SOLIDl85 单元，胎圈采用SOLID45 单元［4］。

2.3 划分网格并施加约束和载荷

图3 ANSYS 中的轮胎的网格划分

图4 轮胎充气压力状态下的等效应力图

图5 轮胎充气压力状态下的等效应变图

定义完成各部分单元类型后就可以进行网格划分，本文采用自由网格的划分方式。胎面部受力情况、变形情况比较复杂，自由网格划分对实体形状没有特定要求，适用于所有模型。本文主要分析轮胎在充气压力下的变形，查看其应力图，计算不需要太精确，做简单的网格划分，可以缩短计算时间。因此，选用自由网格划分，施加规定的充气压力730 kPa 情况来计算，在实际加载过程中，对胎圈处与轮辋接触面进行全面约束，即固定轮胎的中心轴［5］。然后向轮胎的内胎面施加均布载荷，即输入所需求的气压值。因为轮胎的形状在充气过程中会发生显著的变化，所以轮胎的充气压力与轮胎的变形之间有着非线性的关系。由于这种非线性关系的存在，为了使得到的分析结果更加精确，在求解的过程中需要把气压分成若干小步，然后逐步进行加载，从而保证将压力载荷直接加到单元相应的面上（轮胎内表面）［6］，使得每处的压力均垂直于该面。

2.4 有限元分析结果图

1）由轮胎在标准气压730 kPa 充气状态下VonMsies应力分布情况可知，从胎冠到胎侧中部的应力基本呈增大趋势，而从胎侧中部到接近胎圈的部位，应力又减回到最小值，如图4 所示。

2）由轮胎在标准气压730 kPa 充气状态下应变分布情况可知，应变最大处在带束层边缘与胎肩垫胶的交界处，其次为胎侧区域。胎侧为比较柔软的帘布层，刚性较小，在接触过程中胎侧向外侧膨胀，其尺寸有所增加且中部鼓出最为明显，胎侧向胎肩逐渐过渡的部位，变形逐渐减小［7］，可见帘布层对轮胎的整体变形情况影响较大，如图5 所示。