基于ANSYS有限元分析的巨胎側(cè)板輕量化研究

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on Lightweight Structure of Giant TireSide Panels Based on ANSYS

LI Guoming1，2， ZANG Libin23，LI Jun¹ ， JIANG Qinglei1

（1. Department of Mechanical and Electrical Engineering，Weifang Engineering Vocational College，

Weifang 26250o，China；2. College of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology， Tianjin 3oo4O1，China；3. Tianjin Aerospace Electromechanical Equipment Research Institute，Tianjin 3O045o，China）

Abstract： To address the issues of a prolonged design cycle，high costs，and limited optimization effects associated with traditional giant tire side panels design that rely on empirical formulas and experimental validation，the side plate of a 33-inch large tire vulcanizing machine as the study object was used，and finite element analysis （FEA） methods and software such as ANSYS were employed. A three-dimensional model was constructed using UG，and a casting cavity design was used to replace the conventional solid structure. Various thicknesses and arrangements were configured，and meshing and material parameter settings，followed by mechanical and thermal analyses. The results indicate that when the distance between the casting cavity and the inner surface of the side plate is set to 80mm ，approximately 14.72% of material is saved. Additionally，the heating performance of six evenly distributed casting cavities is optimal，with 48.05% increase in heating speed compared to designs without casting cavities. This approach not only satisfies the structural performance requirements of the side plate but also reduces manufacturing costs，offering effective theoretical and practical guidance for the lightweight design of large tire side plates.

Keywords： giant tire side panels； lightweight；ANSYS； finite element analysis； structure optimization

巨胎側(cè)板作為輪胎模具的核心構(gòu)成，在輪胎制造領(lǐng)域的重要性不容小。硫化過(guò)程中，巨胎側(cè)板需承受來(lái)自硫化設(shè)備復(fù)雜多變的應(yīng)力，這些應(yīng)力的綜合作用直接決定著輪胎模具的性能表現(xiàn)[1-3]。然而，傳統(tǒng)的巨胎側(cè)板設(shè)計(jì)模式長(zhǎng)期依賴經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)以及大量的試驗(yàn)驗(yàn)證[4-5]，在實(shí)際應(yīng)用中暴露出諸多弊端，例如漫長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期，不僅拖延了新產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)度，還極大地增加了時(shí)間成本;同時(shí)，高額的試驗(yàn)費(fèi)用以及有限的優(yōu)化效果，使企業(yè)在追求高效、低成本的生產(chǎn)過(guò)程中面臨重重阻礙[6-]。隨著科技的飛速發(fā)展，有限元分析方法應(yīng)運(yùn)而生并逐漸成熟，為解決巨胎側(cè)板設(shè)計(jì)難題帶來(lái)了新的契機(jī)，已有學(xué)者將有限元分析應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化等相關(guān)領(lǐng)域并取得顯著成果[8-9]。本文基于有限元分析方法，借助 ANSYS分析軟件，以33\"大型輪胎硫化機(jī)的巨胎側(cè)板為研究對(duì)象展開(kāi)數(shù)值模擬與創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的瓶頸，提升巨胎側(cè)板的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

1輪胎模具下側(cè)板受力分析

巨胎模具受力剖視圖如圖1所示，下側(cè)板的受力模型如圖2所示。

巨型輪胎硫化時(shí)，模具底座（與下側(cè)板一體）主要承受的力包括內(nèi)部膠囊壓力、硫化機(jī)下熱板的支撐力以及硫化機(jī)合模力[10-12]

F₁=F+F₄

F₂=F₄/m

F₃=π（P₁-P₀）（R_b²-R_a²）

其中， F 為整套模具的重量； F₁ 為硫化機(jī)下熱板對(duì)模具下側(cè)板的支撐力， kN;F₂ 為模具合模時(shí)作用在耐磨板上的作用力， kN;F₃ 為成型膠囊壓力， kN;F₄ 為硫化機(jī)的合模力， kN;m 為耐磨板個(gè)數(shù)； R_a 為下側(cè)板與下鋼圈接觸處半徑， mm;R_b 為下側(cè)板與花紋塊接觸處半徑， mm;P₀ 為大氣壓， .0.1MPa;P₁ 為硫化內(nèi)壓（巨胎硫化膠囊提供的最高壓力為 2.9MPa^[13-15]） °

由圖2可知， F₁ 支撐由合模力分配到底座滑板上的 F₂ ，以及二次成型膠囊壓力施加于下側(cè)板傳遞給底座的 F₃ 兩部分力。輪胎模具底座受力最大處為底座滑板，底座滑板的作用是在模具開(kāi)合時(shí)減小弓形座運(yùn)動(dòng)的摩擦因數(shù)，使模具開(kāi)合順暢。

2 輪胎模具下側(cè)板有限元模擬

2.1 下側(cè)板模型建立

在UG軟件中根據(jù)實(shí)際的巨胎模具設(shè)計(jì)三維幾何模型。以33\"大型輪胎硫化機(jī)為例，巨胎硫化機(jī)合模力為（204 5000～8000t ，下側(cè)板的外直徑為 2500mm ，底座滑板數(shù)為 16^[16-17] ，形狀為梯形。圖3為下側(cè)板三維模型。

2.2 下側(cè)板模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在保證使用性能的前提下，為實(shí)現(xiàn)整套模具輕量化，使用鑄造空腔代替原先的側(cè)板背面實(shí)體設(shè)計(jì)，圖4為側(cè)板背面鑄造空腔示意圖。

為了對(duì)比優(yōu)化減重效果，設(shè)計(jì)了無(wú)空腔， .D=50mm，D=80mm，D=100mm 4 種側(cè)板，其中 D 為鑄造空腔距側(cè)板內(nèi)腔面距離。按照不同的設(shè)計(jì)要求添加背面的鑄造空腔，默認(rèn)圓周6處均布。圖5為鑄造空腔6處均布示意圖。

2.3 下側(cè)板有限元分析

將參數(shù)化的側(cè)板模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分。側(cè)板材料使用ZG270-480，耐磨板的材質(zhì)選用 40Cr ，材料具體特性參數(shù)見(jiàn)表1。網(wǎng)格相關(guān)度值為100，關(guān)聯(lián)性中心細(xì)化，網(wǎng)格單元尺寸為50mm 。為提高網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)受力較大的襯磨板進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)分，模型共有198108個(gè)節(jié)點(diǎn)，62475個(gè)單元[18]圖 6～ 圖9為有限元力學(xué)仿真，不同樣式側(cè)板的質(zhì)量、應(yīng)力及變形量如表2所示。

由表2計(jì)算可知， D=50mm 時(shí)減重效果最好，材料節(jié)省 16.28% ，但此時(shí)變形量超過(guò)了巨胎對(duì)于胎側(cè)圓度 0.1mm 的要求； D=80mm 和 100mm 時(shí)，變形量均符合巨胎側(cè)板對(duì)圓度的要求，但是厚度越小，材料節(jié)省的越多；當(dāng) D=80mm 時(shí)材料節(jié)省 14.72% ，綜合考慮選擇此數(shù)值的側(cè)板作為研究對(duì)象進(jìn)行后續(xù)研究。

2.4 下側(cè)板熱力學(xué)分析

設(shè)計(jì)4種不同數(shù)量的鑄造空腔結(jié)構(gòu)，分別為4、6、8處均布鑄造空腔以及無(wú)空腔樣式結(jié)構(gòu)，并通過(guò)熱力學(xué)分析其加熱性能。溫度參數(shù)的邊界條件如下：側(cè)板背面的加熱溫度為 200^°C ，其他面初始溫度為室溫 ;材料為ZG270－480，線膨脹系數(shù) 1.3×10^-5/^°C ，比熱容 460（J?kg^-1?K^-1） ，導(dǎo)熱率 。

根據(jù)模具在硫化時(shí)的側(cè)板受熱情況，模擬側(cè)板的瞬態(tài)熱力學(xué)仿真結(jié)果。圖10為4種不同設(shè)計(jì)的鑄造空腔結(jié)構(gòu)熱力學(xué)分析。

由圖10可知，無(wú)空腔結(jié)構(gòu)的側(cè)板溫度分布較為均勻，中心區(qū)域溫度最高，顏色從中心的紅色（高溫）逐漸過(guò)渡到外圈的藍(lán)色（低溫）;4處空腔結(jié)構(gòu)的溫度分布不均勻，存在多個(gè)高溫區(qū)域，可能是由于空腔的存在導(dǎo)致局部熱積累;整體溫度范圍較廣，表明空腔對(duì)溫度分布有顯著影響。6處空腔和8處空腔結(jié)構(gòu)高溫區(qū)域與4處空腔類似，但區(qū)域更加分散，溫度分布更加不均勻，表明空腔數(shù)量的增加影響了溫度的均勻性。隨著空腔數(shù)量的增加，溫度分布變得更加不均勻，高溫區(qū)域更加分散，這與空腔的存在導(dǎo)致局部熱積累和熱傳導(dǎo)路徑的改變有關(guān)。

對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，評(píng)估各設(shè)計(jì)方案的實(shí)際能效表現(xiàn)，側(cè)板溫度變化曲線如圖11所示。圖中紅色曲線為側(cè)板溫度最大值，藍(lán)色曲線為溫度最小值，綠色曲線為溫度的平均值。

由圖11可知，有鑄造空腔的側(cè)板升溫速度較快，尤其是最高溫度和平均溫度，而沒(méi)有鑄造空腔的側(cè)板升溫速度相對(duì)較慢，說(shuō)明鑄造空腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于側(cè)板加熱升溫。

應(yīng)用ANSYS的溫度場(chǎng)模擬仿真進(jìn)行有限元分析，在不同的空腔結(jié)構(gòu)下，溫度升到 150^°C 需要的時(shí)間分別是無(wú)鑄造空腔（實(shí)體結(jié)構(gòu)）3752s、鑄造空腔4處均布2170s、鑄造空腔6處均布 1949s 、鑄造空腔8處均布2179 s。由此可見(jiàn)，在鑄造空腔的設(shè)計(jì)中，鑄造空腔6處均布加熱效果最好，與無(wú)鑄造空腔的加熱速度相比提升了 48.05% ，極大地降低了能源消耗。

2.5 研究結(jié)果

通過(guò)ANSYS的模擬分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到巨胎側(cè)板的輕量化設(shè)計(jì)方案。針對(duì)原先的側(cè)板實(shí)體設(shè)計(jì)，優(yōu)化添加鑄造空腔，減少材料的使用，分別設(shè)計(jì) 50mm，80mm，100mm 3 種不同厚度，通過(guò)有限元力學(xué)分析，鑄造空腔距側(cè)板內(nèi)腔面距離 D=80mm 時(shí)，節(jié)省材料約 14.72% ，實(shí)現(xiàn)了側(cè)板的輕量化設(shè)計(jì)。通過(guò)優(yōu)化加強(qiáng)筋的布局和數(shù)量，有效提高了側(cè)板的抗彎剛度和抗扭剛度，使其在承受復(fù)雜應(yīng)力時(shí)具有更好的穩(wěn)定性。同時(shí)，針對(duì)4處，6處以及8處均布鑄造空腔進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析，發(fā)現(xiàn)6處均布的空腔側(cè)板在加熱時(shí)，溫度上升速度最快。

最終確定了鑄造空腔距側(cè)板內(nèi)腔面距離 D=80mm 、空腔6處均布的設(shè)計(jì)方案。以本文研究的33\"巨胎側(cè)板為例，優(yōu)化前重量為 28385.4kg ，優(yōu)化后重量為 24207.9kg ，可節(jié)約鋼材 4177.5kg ，既滿足了側(cè)板的整體結(jié)構(gòu)性能，還進(jìn)一步減輕了質(zhì)量，降低了模具的材料成本，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案使單套模具制造成本降低了 14.7% ，硫化周期縮短了 12% ，顯著提高了生產(chǎn)效率。

3 結(jié)論

本研究圍繞巨胎側(cè)板的輕量化設(shè)計(jì)難題，構(gòu)建了一套融合力學(xué)性能、熱力學(xué)性能和輕量化目標(biāo)的多約束優(yōu)化體系。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，本研究提出的鑄造空腔整體布局優(yōu)化方法極大提升巨胎側(cè)板的減重比例。同時(shí)，將熱力學(xué)響應(yīng)納入優(yōu)化指標(biāo)體系，通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)及熱力學(xué)分析，明確了空腔布局與加熱效率之間的關(guān)系，為巨胎側(cè)板的輕量化設(shè)計(jì)提供了一套系統(tǒng)的解決方案。

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