论文推荐丨于慧等:基于Abaqus软件和正交试验的12R22. 5全钢载重子午线轮胎有限元优化设计

财富   2024-11-18 17:40   北京  


《轮胎工业》2024年第44卷第10期

DOI:10.12135/j.issn.1006-8171.2024.08.0593

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作者简介

于慧(1987—),女,山东烟台人,雄鹰轮胎集团有限公司高级工程师,硕士,主要从事轮胎有限元仿真研究工作。


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基于Abaqus软件和正交试验的12R22. 5全钢载重子午线轮胎有限元优化设计


于慧,战琪轩,胡鸿,许美华

(雄鹰轮胎集团有限公司)


摘要:基于Abaqus有限元分析软件,对12R22.5全钢载重子午线轮胎外轮廓参数正交试验方案进行分析,得到优选方案。对优选方案进行仿真分析,对比Mises应力、最大应变能密度梯度、接地面积、最大接地压力等指标,选择轮胎行驶面高度为4 mm、冠弧半径为600 mm、肩弧半径为170 mm为最优方案。

关键词:全钢载重子午线轮胎;外轮廓;耐久性能;有限元分析



主要内容


随着交通运输业的快速发展,市场对轮胎的需求稳步增长,同时也对轮胎性能提出更高的要求,尤其是耐久性能。在对轮胎产品进行优化时,往往有多种因子影响轮胎性能,其中包括结构、花纹对轮胎附着性能的影响等。涉及到多因子多水平问题时,一般采用正交试验的方法来解决。正交试验分析方法是目前工业设计中运用最广泛的方法之一。通过有限元仿真技术对正交试验方案

进行仿真分析,可以迅速找到优化方案,是一种高效处理多因子优化问题的科学计算方法。


正交试验设计



为研究外轮廓对轮胎耐久性能的影响,对冠弧半径、肩弧半径和行驶面高度(h)进行调整,并进行仿真分析。采用正交试验设计方法,对h(因A)、冠弧半径(因子B)和肩弧半径(因子C)设计三因子四水平正交试验,因子水平如表1所示,正交试验方案如表2所示。


对所设计的正交试验方案使用ZWCAD软件进行材料分布图绘制,发现其中某些外轮廓数据无法绘制,因此从正交试验中排除,只保留方案1—10和13。

轮胎有限元模型的建立




2.1 材料参数设置

2.1.1 骨架材料

我公司12R22.5全钢载重子午线轮胎所用骨架材料均为钢丝帘线,并采用4层带束层结构。带束层骨架材料参数如表3所示。


2.1.2 橡胶材料

为控制变量,原始方案与改进方案的各橡胶部件胶料一致,对胶料进行单轴拉伸、单轴压缩、平面剪切、应力松弛等测试,并将得到的数据进行拟合。常用的本构模型有Yeoh模型、Mooney-Rivlin模型等。Yeoh模型适用于较大的变形范围,本工作选择Yeoh模型作为橡胶材料的本构模型,并将得到的拟合数据导入Abauqs软件中。

2.2 二维模型的建立

将绘制好的材料分布图使用CAD软件进行外轮廓细节处理,以便于进行仿真分析,将处理好的材料分布图导入Hypermesh软件中进行二维网格划分,然后导入Abaqus软件中进行网格细微调整,再进行划分集合、材料属性赋予、装配等工作。对11个正交试验方案进行同样操作处理。使用Hypermesh二次开发软件对11个方案进行网格划分时控制变量,以保证网格质量一致。方案1轮胎二维模型橡胶部件如图1所示,网格类型为CGAX4H和CGAX3H,骨架材料如图2所示,网格类型为SFMGAX1。

2.3 三维模型的建立

由于本工作主要研究外轮廓对轮胎性能的影响,因此简化轮胎模型,采用4条直沟代替复杂花纹沟,使用INP文件将轮胎二维模型转换为三维模型,方案1轮胎三维模型如图3所示。

2.4 计算条件

轮胎的充气压力为1 250 kPa,负荷为4 000 kg,轮胎与轮辋的摩擦因数为0.3,轮胎与地面的摩擦因数为0.7。

结果与讨论




轮胎有限元分析前处理完成后,打开轮胎二维和三维的ODB文件进行后处理,得到轮胎有限元分析结果,如表4所示。


3.1 外缘尺寸及下沉量

通过Abaqus软件中的测量工具对轮胎的外缘尺寸及下沉量进行测量,轮胎下沉量的平均值和极差如表5所示,K1K2K3K4分别为水平1,2,3,4的平均值,R为极差。


轮胎在径向负荷作用下,高度降低,宽度增大,降低的高度称为径向变形,即下沉量。在经过凹凸路面时,轮胎的缓冲能力尤为重要。下沉量越大,轮胎的缓冲性能越好,车辆的乘坐舒适性和稳定性越好。但是下沉量越大,肩部的变形越大,肩部受力增大可能会导致轮胎肩部损坏脱层。由表5中的R值可知,三因子中对轮胎下沉量影响最大的是h,其次是肩弧半径。

3.2 力学性能

由于Mises应力是反映材料是否发生破坏的重要指标之一,因此对正交试验中最大Mises应力进行数据分析处理,如表6所示。


由表6中的R值可知,三因子中对轮胎圈部和肩部Mises应力影响最大的是h。选取圈部和肩部Mises应力最大值最小的方案为最优方案,即A1B1C3为优选方案。

王国林等研究发现最大应变能密度梯度与轮胎疲劳寿命成反比,因此在进行正交试验分析时,应选择最大应变能密度梯度小的方案作为优选方案。轮胎最大应变能密度梯度平均值和极差分析结果如表7所示。


由表7中的R值可知,h对圈部应变能密度梯度影响较大,选择方案3为圈部应变能密度梯度最优方案。而三因子对于肩部应变能密度梯度的影响一致,可见肩部应变能密度梯度差异不大,因此选A4B4C1为应变能密度梯度最优方案。

3.3 静态接地面积及压力分布

通常使用接地面积、平均接地压力等评价轮胎的接地性能。11个方案轮胎的接地印痕形状基本一致,最大接地压力和接地面积的平均值和极差如表8所示。


根据表8中的R值,选择A1B2C4A4B4C2为接地面积和接地压力最优方案。

各指标评估后,得出A1B1C3A4B4C1A4B4C2A1B2C4为优选方案,因A4B4C1A4B4C2无法进行绘制,替换为A4B1C1。对以上优选方案重新进行仿真分析,对仿真结果重新进行对比,选出最优方案。

3.4 优选方案对比分析

A1B1C3A1B2C4A4B1C1优选方案(编号为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)进行仿真对比分析,结果如表9以及图4和5所示。


(1)Mises应力。从表9可以看出:圈部最大Mises应力由小到大的排序为方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ;肩部最大Mises应力由小到大的排序为方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ。

(2)应变能密度梯度。从表9可以看出:圈部应变能密度梯度由小到大的排序为方案Ⅲ、方案Ⅱ、方案Ⅰ;肩部应变能密度梯度由小到大的排序为方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ。

(3)接地面积及接地压力。接地面积影响轮胎的抓着力和制动力,大的接地面积可以使车辆有更好的接地性能和操纵性能。从图4可以看出,方案Ⅰ—Ⅲ的接地印痕形状基本一致。从表9可以看出,接地面积由大到小的排序为方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ。观察轴向接地压力分布发现,各方案轮胎接地压力最大值均位于胎冠中心区域的花纹沟边处,方案Ⅰ和方案Ⅱ的接地压力稍小于方案Ⅲ。观察周向接地压力分布发现,方案Ⅲ的肩部接地压力稍大,方案Ⅰ和方案Ⅱ基本一致。

(4)综合分析。为对各方案有一个更加直观的分析评价,汇总各项分析最优方案,如表10所示。


通过对比表10中各项指标发现,方案Ⅰ为最优方案,即A1B1C3


结论




通过设计正交试验得到优选方案,采用Abaqus仿真软件对优选方案进行仿真分析,通过对比各项性能指标,得到最优方案,即A1B1C3h为4 mm,冠弧半径为600 mm,肩弧半径为170 mm)。


Finite Element Optimization Design of 12R22.5 All-steel Truck and Bus Radial Tire Based on Abaqus Software and Orthogonal Experiment




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编辑 丨吴秀兰

排版 丨董继杨

审查 丨赵  敏


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