應(yīng)用有限元分析法解析0°帶束層結(jié)構(gòu)

侯丹丹，張 娟，王 飛

（杭州朝陽橡膠有限公司，浙江 杭州 310018）

隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，有限元分析方法越來越多地應(yīng)用到輪胎力學(xué)分析中，大大縮短了輪胎的設(shè)計(jì)周期，將輪胎設(shè)計(jì)工作微觀化。

輪胎的力學(xué)特性如操縱穩(wěn)定性、駕駛舒適性、安全性等都與帶束層設(shè)計(jì)有緊密聯(lián)系，同時(shí)帶束層設(shè)計(jì)對輪胎耐久性能具有重要意義[1]。本工作選擇帶束層作為重點(diǎn)分析對象，選取我公司生產(chǎn)的適于高速長途路況使用的11.00R20全鋼載重子午線輪胎，利用哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)的有限元分析前處理軟件與非線性有限元分析軟件Abaqus相結(jié)合進(jìn)行分析，探討0°帶束層結(jié)構(gòu)的破壞產(chǎn)生機(jī)理。

1 復(fù)合材料的破壞與應(yīng)力應(yīng)變分布之間的關(guān)系

應(yīng)力應(yīng)變引起材料破壞的情況如下。

（1）受到反復(fù)拉伸和壓縮變形。主要出現(xiàn)于帶束層和胎肩區(qū)域，這種反復(fù)變形會(huì)與滯后損失相對應(yīng)產(chǎn)生熱量，而輪胎是熱的不良導(dǎo)體，熱量積累導(dǎo)致溫度上升，最后造成復(fù)合材料的疲勞破壞。

（2）應(yīng)力方向反復(fù)變形。主要出現(xiàn)于胎圈補(bǔ)強(qiáng)材料端點(diǎn)區(qū)域和胎體反包端點(diǎn)附近，輪胎由于受到內(nèi)壓和輪輞反力的作用發(fā)生反復(fù)變形，在胎圈補(bǔ)強(qiáng)材料端點(diǎn)和胎體反包端點(diǎn)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致輪胎破壞，應(yīng)力方向的反復(fù)變形對輪胎的破壞起主導(dǎo)作用。

（3）反復(fù)壓縮。主要出現(xiàn)于輪緣至胎圈底部區(qū)域，這個(gè)區(qū)域材料被固定，移動(dòng)較小，而且主要是受到反復(fù)壓縮的力，導(dǎo)致輪胎破壞。

2 分析對象

采用有限元分析法重點(diǎn)對0°帶束層結(jié)構(gòu)中肩空產(chǎn)生最多的第1帶束層末端界面-隔離膠進(jìn)行應(yīng)變分析，輪胎二維模型見圖1。一般情況下，0°帶束層結(jié)構(gòu)中粘合膠主要受到來自內(nèi)壓和胎面外直徑方向的拉伸、壓縮和反復(fù)變形作用。帶束層的破壞主要是由反復(fù)應(yīng)變引起的疲勞破壞導(dǎo)致的。

圖1 輪胎二維模型

分析采用局部網(wǎng)格細(xì)化法，輪胎三維模型如圖2所示，在劃分網(wǎng)格時(shí)將帶束層作為主要?jiǎng)澐謪^(qū)域[2]，且將第1帶束層與第2帶束層之間的隔離膠分成9個(gè)單元（分別記做a，b，c，d，e，f，g，h，i單元），其中半斷面的單元數(shù)量為647個(gè)，網(wǎng)格密度較大，計(jì)算時(shí)間較長，采用并行式服務(wù)器進(jìn)行分析，分析結(jié)果相對準(zhǔn)確性提高。

圖2 輪胎三維模型

結(jié)合實(shí)際退賠輪胎的破壞情況（如圖3所示），將實(shí)際輪胎的破壞界面放大，與有限元模型進(jìn)行對比可以看出，引起破壞的初始點(diǎn)在c和d單元處，因此對這幾個(gè)單元著重進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析。

圖3 0°帶束層結(jié)構(gòu)的典型故障

粘合膠所在單元不同方向的應(yīng)變和剪切應(yīng)變分析（充氣壓力均為930 kPa，負(fù)荷為3 550 kg）如圖4和5所示，充氣、負(fù)荷狀態(tài)下各應(yīng)變分量的應(yīng)變情況見表1。LE11，22，33，12，13和23分別指代y，x，z，yx，yz和xz方向。

圖4 不同方向負(fù)荷、充氣狀態(tài)下的應(yīng)變對比

圖5 不同方向負(fù)荷、充氣狀態(tài)下的剪切應(yīng)變對比

表1 充氣、負(fù)荷狀態(tài)下的應(yīng)變分量 %

根據(jù)以上解析結(jié)果，引發(fā)帶束層破壞的應(yīng)變分量為3個(gè)方面。

（1）無論何種主應(yīng)力分量都是在基準(zhǔn)值上下小范圍內(nèi)反復(fù)變形，因此不能認(rèn)為是引發(fā)破壞的導(dǎo)火線。但LE11要素b-c間的拉伸壓縮形成變化點(diǎn)，從而成為端點(diǎn)處引發(fā)剪切變形的主要原因。

（2）剪切應(yīng)變分量LE23處于壓縮一側(cè)，有一定的反復(fù)變形量，可以認(rèn)為是引發(fā)故障的原因。

（3）剪切分量LE13變形量大。LE13為帶束層層間內(nèi)部分量，因此與破壞后的成長速度相關(guān)聯(lián)。

3 0°帶束層的破壞機(jī)理

由應(yīng)變場和破壞輪胎斷面解析可以判斷以第1帶束層端點(diǎn)為初始點(diǎn)引發(fā)破壞的機(jī)理如下。

第1步：帶束層端點(diǎn)的斷裂面上，剪切LE23活動(dòng)，致使非粘合界面裂口，破壞發(fā)生，如圖6所示。

圖6 第1帶束層端點(diǎn)為初始點(diǎn)引發(fā)破壞的機(jī)理

第2步：由剪切應(yīng)變LE23向剪切應(yīng)變LE13方向逐漸成長。LE13的變化量很大，從而導(dǎo)致輪胎的快速破壞，即LE23是裂口發(fā)生的源頭，LE13為裂口發(fā)展推波助瀾。

4 0°帶束層功能的再驗(yàn)證

4.1 0°帶束層配置的影響

0°帶束層是區(qū)別于4層帶束結(jié)構(gòu)和3層帶束層結(jié)構(gòu)的一種骨架材料的應(yīng)用，對輪胎的安全性和行駛穩(wěn)定性有一定的幫助，但是其強(qiáng)度體現(xiàn)僅限于強(qiáng)度測試試驗(yàn)機(jī)（且目前室內(nèi)壓穿試驗(yàn)不可做），并沒有理論方面的說明。因此，通過有限元方法進(jìn)一步對0°帶束層的功能進(jìn)行分析。

各方向的應(yīng)變分析如圖7所示。從圖7可以看出，對于第1和第2帶束層間的隔離膠而言，具有0°帶束層結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)變LE11在拉伸側(cè)比無0°帶束層結(jié)構(gòu)有明顯增加；LE22無明顯變化；LE33在壓縮側(cè)明顯減小。因此，推測通過0°帶束層的配置，能夠抑制第1和第2帶束層周向角度的變化。

圖7 各方向有無0°帶束層的應(yīng)變對比

從圖7還可以看出，因?yàn)?°帶束層的配置，第1和第2帶束層的周向角度被抑制，并且抑制了對不良發(fā)生和加劇帶來較大影響、含周向成分的剪切應(yīng)變LE13和LE23。

4.2 0°帶束層寬度對輪胎冠弧的影響

4.2.1 帶束層寬度對輪胎的影響

進(jìn)行了3組不同0°帶束層寬度和無0°帶束層結(jié)構(gòu)對輪胎冠弧影響的有限元分析，結(jié)果如圖8所示。由圖8分析可以得出：通過0°帶束層的配置，不僅抑制了胎肩部、也抑制了胎冠中心部的徑向伸張；0°帶束層寬度越大，抑制中心部徑向伸張的能力越強(qiáng)；0°帶束層寬度對帶束層之間的破壞度無直接影響。

圖8 帶束層寬度對輪胎冠弧徑向伸長的影響

4.2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證0°帶束層的作用

39 mm寬度0°帶束層與沒有0°帶束層配置的輪胎冠弧各點(diǎn)在充氣時(shí)的變化率及連續(xù)測試23 h后的徑向伸張變化率如圖9所示，充氣壓力為930 kPa。由圖9可見：由于測試誤差等原因，輪胎下模接近胎冠中心有兩點(diǎn)異常，其他點(diǎn)測試結(jié)果與模擬分析的趨勢一致；在同一試驗(yàn)機(jī)上連續(xù)測試23 h后，其差異化明顯加劇。

圖9 有無0°帶束層的輪胎冠弧各點(diǎn)充氣時(shí)的變化率

5 結(jié)論

（1）進(jìn)行0°帶束層配置的結(jié)構(gòu)與無0°帶束層結(jié)構(gòu)對比，輪胎的徑向伸張有1倍的變化；輪胎行駛一段時(shí)間后，有無0°帶束層結(jié)構(gòu)輪胎胎冠中心部和胎肩部的徑向伸張差異更大。

（2）以第1帶束層為起點(diǎn)的破壞延伸機(jī)理如下：第1步，xz方向剪切應(yīng)變分量作用在帶束層端點(diǎn)截面上（非粘合面），鋼絲簾線切面和膠料的非粘合界面的空間擴(kuò)大，破壞開始；第2步，在yz方向剪切應(yīng)變分量的作用下破壞，沿著第1和第2帶束層界面開始延伸。

第19屆中國輪胎技術(shù)研討會(huì)論文