基于Nastran的某型子午線胎駐波臨界速度研究

張劼 信軻

摘要： 以某子午線輪胎為研究對(duì)象，在solidworks中建立橡膠層、簾布層、帶束層、補(bǔ)強(qiáng)層，鋼絲圈實(shí)體模型，導(dǎo)入Nastran中建立有限元模型，進(jìn)行不同車(chē)速下輪胎的動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到車(chē)速分別在120km/h、140km/h、160km/h、180km/h時(shí)的輪胎駐波情況。通過(guò)分析輪胎狀態(tài)，得到該輪胎在180km/h的車(chē)速下，有較為嚴(yán)重的駐波現(xiàn)象。此結(jié)果對(duì)駕駛員安全行駛提供了臨界速度指標(biāo)，為后續(xù)輪胎的研發(fā)生產(chǎn)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

Abstract： Taking a radial tire as the research object， the solid models of rubber layer， cord fabric layer， belt layer， reinforcement layer and steel wire are established in SolidWorks， and the finite element model is established in NASTRAN. The dynamic simulation analysis of tire at different speeds is carried out， and the tire standing wave at the speed of 120km/h， 140km/h， 160km/h， 180km/h is obtained. By analyzing the tire state， it is found that the tire has serious standing wave phenomenon at the speed of 160km/h. This result provides a critical speed index for the driver to drive safely， and provides a certain scientific basis for the follow-up tire R & D and production.

關(guān)鍵詞： 子午線輪胎;Nastran;有限元;駐波;臨界速度

Key words： radial tire;Nastran;finite element;standing wave;critical velocity

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.341? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）19-0024-02

0? 引言

汽車(chē)輪胎與地面接觸，緩沖不平路面帶給車(chē)輛的沖擊，以保證車(chē)輛具有良好的乘坐舒適性。汽車(chē)在路面行駛時(shí)，輪胎與地面接觸的部分由于被壓縮會(huì)發(fā)生彈性形變，離開(kāi)地面后會(huì)迅速恢復(fù)，但是胎面從變形至恢復(fù)到原有形狀會(huì)有一定的滯后時(shí)間，當(dāng)車(chē)速很高時(shí)，恢復(fù)的時(shí)間會(huì)大于車(chē)輪轉(zhuǎn)過(guò)一周的時(shí)間，此情況下，輪胎變形的波動(dòng)方向會(huì)與輪胎轉(zhuǎn)速相反，此時(shí)的胎冠就像靜止一樣，出現(xiàn)“駐波”現(xiàn)象。由于胎冠此時(shí)波形靜止，所以車(chē)輪與地面接觸的部位會(huì)發(fā)生純滑動(dòng)，摩擦力速度增大，導(dǎo)致輪胎溫度急劇升高，胎冠橡膠層與胎體的簾線層的結(jié)構(gòu)合力被減弱，致使橡膠脫層直至輪胎爆破損壞。為了防止輪胎在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)輪胎胎面結(jié)構(gòu)力減弱，需分析駐波與輪胎參數(shù)之間的關(guān)系，使之避免駐波現(xiàn)象的發(fā)生。輪胎駐波的影響因素一般與輪胎溫度、速度和載荷有關(guān)，所以需要具體進(jìn)行分析。

為了避免發(fā)生駐波現(xiàn)象，導(dǎo)致降低汽車(chē)行駛安全性，本文基于Nastran對(duì)輪胎在不同車(chē)速下進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，得出輪胎駐波的臨界車(chē)速，為汽車(chē)在高速行駛時(shí)提供安全性能指標(biāo)。

1? 輪胎駐波分析理論基礎(chǔ)

輪胎駐波有許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，理論分析如下。

①在1954年，由Turner建立了近似預(yù)測(cè)駐波臨界速度的理論，該理論可用下式表述：

式中：C是波的傳播速度，即產(chǎn)生駐波的臨界速度，T是輪胎的軸向張力，其大小取決于充氣壓力和速度組合;ρ是胎面材料密度。

②Padovan J研究時(shí)，忽略了胎冠的抗彎強(qiáng)度和輪胎的縱向剛度，但考慮輪胎的徑向阻尼。J.R.Choa利用此理論模型求得輪胎的臨界速度，公式：

式中：η為離心力還原率，Kr為單位長(zhǎng)度的徑向阻尼值;Cs為單位長(zhǎng)度胎體的抗張強(qiáng)度，b為胎面有效寬度的一半，p為充氣壓力。

③莊紀(jì)德采用彈性基環(huán)形梁模型公式，不考慮胎冠的抗彎強(qiáng)度和輪胎的縱向剛度，但考慮輪胎的徑向阻尼，并對(duì)參數(shù)做了進(jìn)一步的完善和修改，公式如下：

式中：EJ為胎冠的抗彎強(qiáng)度，r為輪胎外半徑，ρ為環(huán)形梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度質(zhì)量，T為帶束層張力，Cr為輪胎單位長(zhǎng)徑向剛度，Ct為輪胎單位長(zhǎng)縱向剛度，a為波數(shù)，a=2？仔/λ（λ為波長(zhǎng)）。

2? 有限元模型建立

2.1 幾何模型及材料參數(shù)

此輪胎型號(hào)為R19 225/45，由于輪胎結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算及分析難度，在幾何模型建立時(shí)，忽略輪胎胎面花紋和防擦線，從外至內(nèi)依次建立厚度為6mm的橡膠層、1mm胎體簾布層、2mm鋼絲帶束層、2mm尼龍帶束層、1mm鋼絲補(bǔ)強(qiáng)層以及一對(duì)鋼絲圈。

為提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，單元類(lèi)型采用實(shí)體和殼單元組合的方式。橡膠層定位為實(shí)體單元，橡膠材料;簾布層、帶束層及補(bǔ)強(qiáng)層視為殼體單元類(lèi)型，彈性材料。

2.2 網(wǎng)格劃分及前處理

分別對(duì)輪胎各層建立有限元模型。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，做出相應(yīng)模型簡(jiǎn)化：不定義輪輞，定義鋼絲圈代替輪輞的固定約束。模擬輪胎充氣壓力，在輪胎內(nèi)壁施加壓力，加載壓強(qiáng)大小為0.23MPa，固定輪胎中心軸，并在輪心處施加垂直載荷5000N。采用剛體-柔體接觸來(lái)模擬轉(zhuǎn)轂與輪胎的接觸。轉(zhuǎn)轂作為主動(dòng)輪，徑向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度全約束，釋放軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，并加載軸向角速度，帶動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，定義摩擦系數(shù)為0.6。在邊界條件不變的情況下，依次建立轉(zhuǎn)轂速度為120km/h、140km/h、160km/h、180km/h的轉(zhuǎn)速模型。當(dāng)160km/h，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)轂角速度為11.198rad/s，創(chuàng)建模型如圖1所示。

3? 仿真結(jié)果分析

對(duì)轉(zhuǎn)轂速度為120km/h、140km/h、160km/h、180km/h的轉(zhuǎn)速模型進(jìn)行仿真分析，得到在120km/h、140km/h的車(chē)速下，該輪胎基本無(wú)駐波出現(xiàn)，在車(chē)速160km/h時(shí)，輪胎出現(xiàn)較為明顯的駐波現(xiàn)象，180km/h的速度下，輪胎出現(xiàn)嚴(yán)重的駐波現(xiàn)象，此時(shí)最大相對(duì)位移為59.9mm，如圖2所示。該輪胎在此車(chē)速下行駛，存在安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)低于此車(chē)速行駛，保證車(chē)上乘員安全。

4? 總結(jié)與展望

本文通過(guò)對(duì)R19 225/45型子午線輪胎在120km/h、140km/h、160km/h、180km/h的轉(zhuǎn)速模型下的動(dòng)態(tài)仿真分析，得到輪胎在180km/h時(shí)會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的駐波現(xiàn)象。

得到以下成果：①簡(jiǎn)化建模，忽略了該輪胎的防擦線和胎面花紋，簡(jiǎn)化計(jì)算。②對(duì)比多種單元建模方式，選擇最優(yōu)，即殼單元和實(shí)體單元組合的方式，并建立了剛體-柔體接觸模型模擬轉(zhuǎn)轂與輪胎的接觸。③對(duì)比分析了該輪胎在不同車(chē)速下行駛的駐波狀態(tài)，得到駐波臨界速度。

通過(guò)對(duì)輪胎駐波臨界速度的分析，提高了駕駛員的駕駛安全，也為研發(fā)生產(chǎn)提供一定的數(shù)據(jù)支撐。輪胎結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，溫度，車(chē)速，載荷以及參數(shù)的設(shè)定，都會(huì)影響分析結(jié)果，輪胎的分析還需大量仿真試驗(yàn)去探究。①對(duì)輪胎施加不同載荷，分析駐波臨界速度的大小。②可在仿真前處理階段，進(jìn)行不同網(wǎng)格大小對(duì)仿真結(jié)果影響的分析。通過(guò)控制變量法分析輪胎的駐波影響因素至關(guān)重要。

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