子午线轮胎带束层中应力的有限元分析

第8期　　　　　　　　　　闫相桥等1子午线轮胎带束层中应力的有限元分析　　　　　　　　　　　　　463

子午线轮胎带束层中应力的有限元分析

闫相桥1, 王友善2, 乌大琨2, 王衍林2

(11哈尔滨工业大学复合材料研究室, 黑龙江哈尔滨　150001;21桦林集团有限责任公司, 黑龙江牡丹江　157032)

　　摘要:利用自己开发的轮胎结构有限元分析软件详细地分析了全钢子午线轮胎带束层中的应力在周向和带束层宽度方向上的变化规律。结果表明, 轮胎与地面的接触对带束层中应力的影响仅限于轮胎与地面的接触区域。在轮胎与地面接触的最低截面上, 带束层端部的应力与胎冠中心处带束层应力的比例随着轮胎下沉量的增大而增大。

关键词:子午线轮胎; 有限元分析; 带束层; 应力

中图分类号:TQ336. 1+1　　　文献标识码:B　　　文章编号:100628171(2000) 0820463205

　　轮胎是一个由橡胶材料和橡胶基复合材料构成的复杂结构体。从结构上讲, 轮胎是一个复杂的橡胶复合材料层合壳, 其几何形状为不可伸展的不等厚双曲壳; 从材料上讲, 轮胎是一种非均质结构, 其橡胶材料具有不可压缩性和明显的物理非线性, 而其橡胶基复合材料呈现明显的各向异性。在加载和工作条件下轮胎具有多变性。六七十年代, 通常采用轮胎模型分

网络模型、薄膜模型及层合模析[1]如梁模型、

型等对轮胎结构进行研究。进入80年代后, 随着计算机科学技术的飞速发展, 有限元分析技术在复杂工程结构中的应用愈来愈显示出巨大的作用。轮胎结构的分析方法也从简化过甚的理论推算向数值模拟发展[2,3]。

轮胎对车辆的行驶性和乘坐舒适性影响很大, 就子午线轮胎而言, 对使用性能影响最大的应当说是带束层[4,5]。本研究利用我们开发的轮胎结构有限元分析软件[6,7]对全钢子午线轮胎带束层中的应力进行了详细的分析。1　轮胎结构有限元分析模型的简述

(1) 单元模型

采用八节点六面体等参单元和六节点五面

体等参单元模型。

(2) 材料模型

对于橡胶材料, 其不可压缩性用La 2grangian 乘子法[3]解决, 物理非线性用Mooney 2Rivlin 模型来模拟; 对于橡胶基复合材

料, 采用正交各向异性材料模型模拟, 其相应的等效弹性模量由橡胶材料和增强纤维材料的模量及体积分数用Halpin 2Tsai 方程[8]确定。

(3) 几何模型对于轮胎的大变形, 采用Lagrangian 法进行描述, 应变张量和应力张量分别为Green 2La 2grangian 应变张量和第二类Piola 2K irchhoff 应力张量[9]。

(4) 轮胎与地面、轮胎与轮辋约束处理采用可变约束法处理轮胎与地面、轮胎与轮辋之间的约束问题[10]。2　带束层中应力的有限元分析

图1示出了所分析轮胎的截面几何形状及材料分布图。图2示出了在一个截面内的有限元网格图(在一个截面内有313个节点) 。图3示出了整体有限元网格图。图4为带束层示意图。在分析中考虑到轮胎结构及受力的对称性, 仅分析其1/4。

我们开发的轮胎结构有限元分析软件所涉及的一些理论和技术如下。

作者简介:闫相桥(19592) , 男, 河北东光县人, 哈尔滨工业大学教授, 工学博士, 最近几年来主要从事轮胎结构有限元分析及其应用的研究工作。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　轮　胎　工　业　　　　　　　　　　　　　　2000年第20卷464

图1　

轮胎截面几何形状及材料分布图图2　

在一个截面内的有限元网格图

图3　轮胎整体有限元网格图

图5示出了充气加载情况下带束层各层中的周向应力在轮胎周向和带束层宽度方向上的

图4　带束层示意图

(a ) 带束层第1层(最大值为30117MPa

)

(b ) 带束层第2层(最大值为41159MPa

)

(c ) 带束层第3层(最大值为20189MPa )

图5　在充气加载下带束层中周向正应力在周向和带束层宽度方向上的变化

箭头指向带束层边缘

变化规律。图6和7示出了下沉量不同时, 不同带束层中的周向应力在轮胎周向和带层宽度方向上的变化规律。图8和9示出了下沉量不同时, 不同带束层中的剪切应力在轮胎周向和

(a ) 带束层第1层(最大值为31162MPa

)

(b ) 带束层第2层(最大值为41149MPa

)

(c ) 带束层第3层(最大值为20126MPa )

图6　下沉量为10mm 时带束层中周向正应力

在周向和带束层宽度方向上的变化

箭头指向带束层边缘

(a ) 带束层第1层(最大值为39115MPa

)

(b ) 带束层第2层(最大值为50149MPa

)

(c ) 带束层第3层(最大值为24149MPa )

图7　下沉量为32mm 时带束层中周向正应力

在周向和带束层宽度方向上的变化

箭头指向带束层边缘

带束层宽度方向上的变化规律。

由图6和7可以看出, 轮胎与地面的接触对带束层中的周向应力的影响仅限于轮胎与地面的接触区域; 随着轮胎下沉量(即轮胎载荷)

(a ) 带束层第1层(最大值为0120MPa

) (b ) 带束层第2层(最大值为0121MPa

)

(c ) 带束层第3层(最大值为0115MPa )

图8　下沉量为10mm 时带束层中剪切应力

在周向和带束层宽度方向上的变化

箭头指向带束层边缘

的增大(相当于轮胎与地面的接触区域增大) , 其影响区域也增大; 最低截面上的周向应力在

(a ) 带束层第1层(最大值为0134MPa

)

(b ) 带束层第2层(最大值为0164MPa

)

(c ) 带束层第3层(最大值为0152MPa )

图9　下沉量为32mm 时带束层中剪切应力

在周向和带束层宽度方向上的变化

箭头指向带束层边缘

带束层宽度方向上的变化也最大; 在最低截面上, 带束层端部的周向应力与胎冠中心的带束层的周向应力的比例随着轮胎下沉量的增大而

增大。

由图8和9可见, 剪切应力仅存在于轮胎的接地区域, 而且受轮胎下沉量的影响很大。3　结语

[3]Tseng N T ,Satyamurthy K ,Chang J P. Nonliear finite ele 2

ment analysis of rubber based products[A ]1The 131st meet 2ing of the rubber division[C]1Quebec ,Canada :ACSMontre 2al ,19871No. 24.

[4]山井健雄1日本大津轮胎公司提出载重子午线轮胎综合

轮胎技术理论Ⅰ[J]1刘蕴琰译1轮胎工业,1990,37(7) :

292311

[5]美国固特异轮胎橡胶公司1防止端部脱层的轮胎带束层

利用我们所研制的轮胎有限元分析软件对全钢丝子午线轮胎带束层中的应力进行详细分析。数据分析结果表明, 轮胎与地面的接触对带束层中的应力的影响仅限于轮胎与地面的接触区域。在轮胎与地面接触的最低截面上, 带束层端部的应力与胎冠中心的带束层应力的比率随着轮胎下沉量的增大而增大。参考文献:

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[6]闫相桥, 王友善, 乌大琨, 等1轮胎结构有限元分析应用于

轮胎结构优选1Ⅰ1胎体反包高度的优选[J]1轮胎工业,

2000,20(5) :27022751

[7]闫相桥, 乌大琨, 王友善, 等1轮胎结构有限元分析应用于

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dial tires with variable constraint conditions[J].Computers and Structures ,1995,55(5) :8712875.

收稿日期:2000203217

FEA of stresses in radial tire belt

YA N Xiang 2qiao 1, W A N G You 2shan 2, W U Da 2kun 2, W A N G Y an 2li n 2

(11Haerbin University of Technology ,Haerbin 　150001,China ;21Hualin Group Co. , Ltd. ,Mudanjiang 　157032,China )

Abstract :A software for the finite element analysis of tire structure was developed. The regular pattern of the stress change in the circumferential and lateral directions of all 2steel radial tire belt was analysed using the software. The results showed that the effect of the tire 2ground contact on the stress in the belt was within the limits of tire 2ground contact area ;in the lowest cross 2section of tire 2ground contact area ,the ratio of the stress in the belt ends/the stress in the belt centre increased as the tire de 2flection increased.

K eyw ords :radial tire ; FEA ;belt ;stress

徐州海鹏扩产工程机械轮胎

中图分类号:U4631341+15　　文献标识码:D生产出2315-25,2015-25,1715-25,1915-24,14100-24,13100-24等多种规格的有内胎和无内胎工程机械轮胎, 并在轮胎结构和花

纹上进行了新的探索, 使产品品种、质量和性能方面形成了自身的优势, 并已形成年产3万套的生产能力。

(摘自《中国化工报》,2000206219)

　　徐州海鹏轮胎有限公司年产10万套工程

机械轮胎一期技术改造项目———年产5万套项目正在加快建设步伐, 炼胶和压延生产线已进入安装阶段。

　　近年来, 该公司通过挖潜改造和技术开发,