爆胎過程輪胎垂向剛度特性仿真研究

蔡永周

( 廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

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爆胎過程輪胎垂向剛度特性仿真研究

蔡永周

( 廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

采用Shell單元模型模擬橡膠-簾線復(fù)合材料，建立215/60R16型子午線爆胎輪胎模型，分析正常胎壓輪胎在垂向載荷作用下的變形情況。垂向剛度仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好的吻合性，表明開發(fā)的輪胎有限元模型的正確性。通過改變胎壓，獲得了不同胎壓下輪胎的垂向剛度，進(jìn)而得到了爆胎過程中輪胎垂向剛度特性，為定量分析和研究爆胎車輛的操縱穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)。

爆胎；剛度特性；有限元分析

0　引言

輪胎是連接車輛與路面的唯一部件，輪胎對汽車行車安全的影響一直受到汽車業(yè)界和社會公眾的關(guān)注，爆胎則是重大交通事故的元兇，特別是發(fā)生在高速公路上。據(jù)統(tǒng)計(jì), 國內(nèi)高速公路上發(fā)生的重大交通事故約70% 是由于爆胎引起的[1]。汽車爆胎造成的嚴(yán)重后果引起了人們對輪胎安全的高度重視, 也促使人們對事故原因及防止措施進(jìn)行深入研究。爆胎過程中輪胎垂向剛度的變化對車輛的動力學(xué)響應(yīng)和車輛的操縱穩(wěn)定性有重要影響，因此研究爆胎過程中輪胎的垂剛度特性顯得尤為重要。

以某橡膠輪胎有限公司生產(chǎn)的215/60R16型子午線輪胎為研究對象，應(yīng)用非線性有限元軟件LS-DYNA對正常、70%、50%、30%、零胎壓輪胎垂向剛度特性進(jìn)行仿真分析，得到了爆胎過程輪胎垂向剛度特性變化曲線，為下一步研究爆胎車輛的操縱穩(wěn)定性打下良好的基礎(chǔ)。

1　輪胎剛度特性

輪胎爆胎后最顯著的變化是胎壓急劇減小，直到為零，爆胎后其垂向剛度特性相對于正常輪胎發(fā)生很大的變化。

輪胎垂向剛度特性是指作用在輪胎上的垂向載荷與對應(yīng)變形之間的關(guān)系，其測試原理見圖1。文中主要對輪胎的垂向剛度進(jìn)行仿真分析，并通過與試驗(yàn)結(jié)果的比較確認(rèn)仿真方法的有效性，進(jìn)而獲得爆胎過程中輪胎垂向剛度特性變化曲線。

2　有限元模型建立

2.1輪胎網(wǎng)格劃分

研究表明[2]，輪胎花紋對輪胎靜態(tài)剛度特性影響甚微。為提高建模和計(jì)算效率，文中忽略花紋的影響，使用光面輪胎進(jìn)行仿真分析。為盡可能提高網(wǎng)格質(zhì)量、減少模型規(guī)模，對圖2所示的輪胎結(jié)構(gòu)做了如下簡化和修改[3]：

(1)在胎側(cè)和鋼絲帶束層的鄰接部位，把狹長尖角改成倒角；

(2)胎側(cè)和翼膠的材料特性相同且位置臨近，將其合并。

在Hypermesh中劃好二維網(wǎng)格生成三維有限元網(wǎng)格。文中采用的二維有限元網(wǎng)格和安裝有輪輞的三維有限元網(wǎng)格如圖3和圖4所示。

2.2材料模型

(1)橡膠材料模型

輪胎材料主要由橡膠和簾線-橡膠復(fù)合材料組成。胎面、胎側(cè)、三角膠、內(nèi)襯層和胎圈護(hù)膠等使用硬度不同的橡膠材料；而胎體層、帶束層和冠帶層是簾線-橡膠復(fù)合材料。

橡膠材料屬于超彈性材料，表現(xiàn)出近似體積不可壓縮性和高度非線性，Yeoh模型能較好地模擬。其本構(gòu)方程如下：

(1)

由于橡膠材料的近似不可壓縮性，Di為0。則本構(gòu)方程簡化為：

(2)

用Yeoh模型進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的輪胎主體部分各層材料參數(shù)如表1所示。

表1　輪胎主體部分各層材料參數(shù)(Yeoh模型參數(shù))

(2)簾線-橡膠復(fù)合材料模型的建立

帶束層、冠帶層、胎體層作為簾線-橡膠復(fù)合材料屬正交各向異性材料，在ABAQUS等有限元分析軟件中將簾線以rebar單元模型化，不存在復(fù)合材料處理的問題。考慮到后續(xù)需要進(jìn)行的整車爆胎現(xiàn)象仿真分析，一方面擬使用的有限元分析軟件LS-DYNA沒有rebar單元功能，另一方面需要盡可能減少輪胎有限元模型的規(guī)模。作者使用殼單元模擬簾線-橡膠復(fù)合材料，以正交各向異向材料*MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC描述其材料特性，需要確定的參數(shù)為：

Ea、Eb、Ec、νba、νca、νcb、Gab、Gbc、Gca

假設(shè)橡膠材料與基體鋼絲材料各向同性，使用Halpin-Tsai方程確定上述參數(shù)。

其方程如下：

Ea=EcVc+Er(1-Vc)

(3)

Eb=Rr(1+2Vc)/(1-Vc)

(4)

Gab={Gr[Gc+Gr+(Gc-Gr)Vc]}/[Gc+Gr-(Gc-Gr)Vc]

(5)

νba=[νcVc+νr(1-Vc)]Eb/Ea

(6)

式中：Ec、Er分別表示鋼絲和橡膠的彈性模量；Gc、Gr分別表示鋼絲和橡膠剪切模量；νc、νr分別表示鋼絲和橡膠的泊松比；Vc為鋼絲在復(fù)合材料中的體積比[4]。

由上述方程可以確定4個獨(dú)立參數(shù)?；诤熅€-橡膠復(fù)合材料的橫觀各向同性，有Eb=Ec，νac=νab，從而νca=νacEc/Ea，Gab=Gca，這樣就確定了7個材料參數(shù)。

表2　橡膠-簾線復(fù)合材料參數(shù)

2.3接觸、邊界條件、加載的定義等

為提高計(jì)算效率，將輪輞定義為剛體材料，地板定義為剛性路面。輪胎與輪輞之間的安裝、充氣使用LS-DYNA的隱式計(jì)算方法處理。輪胎安裝階段通過定義胎圈部位節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)制位移實(shí)現(xiàn)。然后定義輪胎與輪輞間的接觸，在輪胎內(nèi)表面施加壓力至0.23 MPa完成充氣過程。再將載荷以集中載荷的形式作用于路面，并定義輪胎與剛性路面之間的接觸關(guān)系。在上述各步分析中，上一步的節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力等通過LS-DYNA中的dynain文件傳遞到下一步。

3　垂向剛度仿真分析及評價

針對輪胎垂向剛度進(jìn)行仿真分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

根據(jù)輪胎垂向剛度特性測試原理，保持0.23 MPa的輪胎內(nèi)壓并固定輪輞，垂直向上移動地面以向輪胎施加垂向載荷。垂向剛度特性仿真結(jié)果如圖5中實(shí)線所示，并且與虛線實(shí)驗(yàn)值有較好的一致性，驗(yàn)證了模型的正確性和有效性。在其他條件不變的情況下，把胎壓降為原來胎壓的70%、50%、30%、零胎壓，爆胎過程不同胎壓對應(yīng)的剛度大小見表3。

表3　爆胎過程不同胎壓對應(yīng)的剛度大小

由表3可知：在爆胎過程中，輪胎垂向剛度有顯著變化。在剛開始爆胎，輪胎垂向剛度成直線下降；隨著爆胎的發(fā)生，輪胎氣壓逐漸減小，輪胎垂向剛度下降趨于平緩，但仍很明顯；爆胎完成后輪胎垂向剛度變?yōu)檎Ｌ旱?0%左右。

4　結(jié)束語

以215/60R16型子午線輪胎為研究對象，建立了爆胎輪胎三維有限元模型，仿真分析了不同胎壓下的接地輪胎在垂向載荷作用下的具體變形，獲得的爆胎輪胎垂向剛度仿真結(jié)果具有較強(qiáng)的應(yīng)用價值，為定量分析爆胎車輛的動力學(xué)響應(yīng)提供了數(shù)據(jù)支持。

【1】郭孔輝,黃江.爆胎汽車整車運(yùn)動分析及控制[J].汽車工程,2007,29(12):1041-1045.

【2】應(yīng)卓凡,臧孟炎,周濤.基于復(fù)雜花紋的子午線輪胎剛度特性仿真[J].汽車技術(shù),2009(11):35-37.

【3】臧孟炎,許玉文,周濤.三維非線性輪胎的五剛特性仿真[J].華南理工大學(xué)學(xué)報,2011,39(1):129-133.

【4】Tseng N T,Pelle R G,Warholic T C.Finite Element Simulation of Destructive Tire Testing[J].Tire Science and Technology,1991,19(1):2-22.

【5】Walter J D,Patel H P.Approximate Expressions for the Elastic Constants of Cord Rubber Laminates [J].Rubber Chemistry Technology,1979,52(4):710-724.

【6】Hall W,Mottram J T,Jones R P.Tire Modeling Methodology with the Explicit Finite Element Code LS-DYNA[J].Tire Science and Technology,2004,32(4):236-261.

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【8】丁劍平,賈德民,黃小清.三維非線性有限元法在子午線輪胎分析中的應(yīng)用[J].華南理工大學(xué),2005,33(6):55-58.

【9】景立新.全鋼載重子午線輪胎特性有限元分析及驗(yàn)證[D].長春:吉林大學(xué),2007.

【10】石琴,陳無畏,洪洋,等.基于有限元理論的輪胎剛度特性的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2008,18(6):1445-1449.

【11】American LSTC Company.LS-DYNA 971 user’s manual[M].2006.

Simulations of Vertical Stiffness Characteristics in a Tire Blow-out Process

CAI Yongzhou

(Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 511434, China)

Using the shell element model to simulate rubber-cord composite materials, the finite element model of 215/60R16 radial tire was established. The tire deformation of normal tire pressure under vertical load was analyzed. The simulation results of vertical stiffness matched well with the experimental results, it was shown that the finite element tire model developed was correct. By changing the tire pressure, the tire vertical stiffness was obtained under different tire pressure, then the vertical stiffness characteristic of a tire blow-out process was gotten. It lays a solid foundation for quantitative analysis and research of blowout vehicles operating stability.

Tire blow-out; Stiffness characteristics; Finite element analysis

2015-07-07

蔡永周(1983—)，男，博士，工程師，從事汽車碰撞及關(guān)鍵零部件CAE仿真研究。E-mail：cyzh0319@126.com。