一种子午线轮胎高速转动变形的快速预测方法、应用和软件产品

技术领域

本发明涉及子午线轮胎设计技术领域，尤其涉及一种子午线轮胎高速转动变形的快速预测方法、应用和软件产品。

背景技术

随着公路质量提高及高速公路普及，车辆行驶速度越来越高，尤其在德国等国家的不限速高速公路，车辆行驶速度可达300km/h，这就对轮胎的高速性能提出了更高的要求。从力学原理分析，高速状态下轮胎的性能变化主要来源于离心力的影响，高转速条件下离心力会导致轮胎膨胀，改变接地印痕，进而影响轮胎的磨耗、排水、噪声及耐久等性能，严重时还会直接导致胎面与带束层脱层，引发爆胎等危险事故。因此，轮胎设计工程师一般在轮胎带束层之上缠绕角度为0度的尼龙冠带层，可有效控制离心力引起的轮胎变形。但如何快速、有效的评估结构设计对抑制离心力影响的效果是轮胎设计与分析技术领域的关键问题。

目前，评估高速状态下离心力对轮胎变形影响的方法主要有实验方法和数值模拟方法。实验方法需要经过开发模具、成型、硫化、测试等一系列过程，不仅成本高，并且周期长。高速状态下离心力对轮胎变形影响的数值模拟评估主要采用基于三维实体建模的有限元方法，整个轮胎的单元数量一般超过10万，计算时间长，计算资源要求高，计算效率低。而经过发明人长期研究，对于评估离心力对轮胎变形的影响，开发了一种简单的轴对称计算方法，不需要采用三维实体建模进行计算，单元数量可控制在几千之内，不仅极大地提高效率，节省了计算资源，同时也能保证计算的有效性。

发明内容

本发明的目的是提供种子午线轮胎高速转动变形的快速预测方法，该方法不需要采用采用三维实体建模进行计算，单元数量可控制在几千之内，不仅极大地提高效率，节省了计算资源，同时也能保证计算的有效性，能快速的反馈到轮胎设计应用上，为轮胎设计工程师提供指导。

为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种子午线轮胎高速转动变形的快速预测方法，该方法包括以下的步骤：

第一步，轴对称轮胎模型建立

1.1)对轮胎材料分布图划分网格，其中包含增强材料的冠带，带束，胎体部件为四边形单元，使用rebar单元来表征增强结构，所有单元均采用轴对称单元；

1.2)导入解析刚体轮辋并设置参考点，对轮辋参考点采用全固定约束；

1.3)通过给轮辋左侧钢丝圈中心点施加向上和向右的位移，给右侧钢丝圈中心点施加向上和向左的位移，进行胎圈收缩；

1.4)设置胎圈外表面为与轮辋接触面及相应接触属性；

1.5)设置内衬层内表面为气压作用面；

1.6)据轮胎实际材料测试为橡胶单元和骨架单元赋予线弹性材料参数和密度；

1.7)利用有限元程序ABAQUS计算轮胎轴对称模型充气工况，然后提取充气轮胎最大的外半径R；

第二步，轮胎高速性能测试速度为V

根据公式转动角速度w＝V/R即可得到轮胎的转动角速度，将第一步轮胎轴对称模型充气分析结果作为预初始状态，对轴对称轮胎模型施加绕轮辋参考点旋转的体积力的转动角速度w进行计算分析；

第三步，利用python编写程序从第二步计算的结果中提取轮胎变形后的节点坐标及单元组成绘制轮胎断面变形图。

作为优选，所述步骤1.1)中橡胶材料单元为四节点轴对单元CGAX4H，增强材料为轴对称Rebar单元SFMGAX1。

作为优选，所述步骤1.2)如下：导入轮辋，并为轮辋建立参考点，轮辋参考点坐标为原点(0,0)，对轮辋参考点施加全固定约束。

作为优选，所述步骤1.3)如下：给轮胎左侧钢丝圈中心点施加向上的位移为1.5mm和向右位移为7.6mm，给右侧钢丝圈中心点施加向上的位移为1.5mm和向左的位移为7.6mm，使胎圈收缩至轮辋内部。

作为优选，所述步骤1.4、1.5)如下：设置胎圈部位外表面与轮辋的摩擦系数为1.0，设置内衬层内表面为施加充气载荷作用面，给轮胎内衬层表面气压P为0.18MPa，方向垂直于内衬层内表面。

作为优选，所述步骤1.6)橡胶单元和骨架单元赋予线弹性材料参数和密度如下：

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进一步，本发明还公开了所述的一种子午线轮胎高速转动变形的快速预测方法在轮胎仿真设计中应用。

进一步，本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现所述方法。

进一步，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序或指令，该计算机程序或指令被处理器执行时实现所述方法。

进一步，本发明还公开了一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，该计算机程序或指令被处理器执行时实现所述方法。

本发明由于采用了上述的技术方案，不需要采用采用三维实体建模进行计算，单元数量可控制在几千之内，不仅极大地提高效率，节省了计算资源，同时也能保证计算的有效性，能快速的反馈到轮胎设计应用上，为轮胎设计工程师提供指导。

附图说明

图1为235/45R18轮胎有限元网格图及各部件名称；

图2为235/45R18轮胎气压分布图；

图3为235/45R18轴对称轮胎充气变形图；

图4为235/45R18轴对称和三维实体的轮胎高速转动断面变形变形对比图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出在Abaqus有限元系统下详细的实施方式。

以235/45R18为例，根据本发明的实施步骤：

第一步，对轮胎材料分布图划分网格，其中冠带，带束，胎体等包含增强材料部件为四边形单元，使用二维骨架材料单元来表征增强材料的增强作用(如图1)；所有单元必须设置为轴对称单元，考虑到扭转，橡胶材料单元为四节点轴对单元CGAX4H，增强材料为轴对称Rebar单元SFMGAX1；导入轮辋，并为轮辋建立参考点，轮辋参考点坐标为原点(0,0)，对轮辋参考点施加全固定约束；给轮胎左侧钢丝圈中心点(如图1)施加向上的位移为1.5mm和向右位移为7.6mm，给右侧钢丝圈中心点(如图1)施加向上的位移为1.5mm和向左的位移为7.6mm，使胎圈收缩至轮辋内部；设置胎圈部位外表面(如图1)与轮辋的摩擦系数为1.0，设置内衬层内表面为施加充气载荷作用面(如图1)，给轮胎内衬层表面气压P为0.18MPa，方向垂直于内衬层内表面(如图2)；据轮胎实际材料测试为橡胶单元和骨架单元赋予线弹性材料参数和密度。

橡胶单元和骨架单元赋予线弹性材料参数和密度如下：

利用有限元程序ABAQUS计算轮胎轴对称模型充气工况(如图3)，然后提取轮充气轮胎最大外半径R为333.3mm。

第二步，205/55R16轮胎高速性能测试速度V为240km/h约等于66666.7mm/s，根据公式转动角速度w＝V/R即可得到轮胎的转动角速度，将第一步轮胎轴对称模型充气分析作为预初始状态，对轴对称轮胎模型施加绕轮辋参考点旋转的体积力的转动角速度w进行计算分析。

第三步，利用python编写程序从第二步计算的结果中提取轮胎变形后的节点坐标及单元组成绘制轮胎断面变形图(如图4红色网格线)。

建立235/45R18三维轮胎模型，该三维模型有163680个单元。对该模型进行充气压力0.22MPa，速度240km/h的稳态转动仿真并利用第三步的程序提取轮胎变形后的断面变形图(如图4黑色网格线)。

通过以上技术实现了快速预测子午线轮胎高速转动变形的方法，图4显示本发明方法对轮胎高速转动的预测与三维实体模型的预测结果相同位置最大差距在0.02mm左右，说明了本方法仿真预测的准确性。本发明方法相较于三维轮胎实体模型高速转动的仿真方法极大的缩短了计算时间，节省了计算资源，提高计算效率，能快速的反馈到轮胎设计应用上为轮胎设计工程师提供指导。

以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施列，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。