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计及复杂胎面花纹的子午线轮胎结构有限元分析

作　者: 李兵
导　师: 夏源明；李子然
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 固体力学
关键词: 轮胎模型胎面花纹中国科学技术大学保角映射负荷工况危险区域侧偏角子午面花纹块接地压力
分类号: O342
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

鉴于轮胎技术的发展,人们越来越认识到胎面花纹的重要性,计及复杂胎面花纹的轮胎结构有限元分析技术越来越受到工程和学术界的关注;由于难度很大,相关的文献至今仍较为罕见,因此发展计及复杂胎面花纹的高效的轮胎有限元模型及其求解策略成为当前工程与学术界的挑战性课题。本文就是在这一背景下围绕着这一课题展开的。基于组合模型技术和两种映射方法,分别提出了组合周向保角映射建模法和组合类保角映射簇建模法。两种建模方法均使繁琐的手工建模过程大大简化,能够较方便地模拟复杂的胎面花纹形态,并得到完全的、较高质量的六面体网格。使用组合周向保角映射建模法建立了用于静力学分析的数个均分的组合花纹轮胎模型和非均分的组合花纹轮胎模型;使用组合类保角映射簇建模法建立了用于稳态滚动分析的数个周期性的组合花纹轮胎模型和变节距的组合花纹轮胎模型;并形成了从装配、充气、静负荷、自由滚动到驱动、制动、侧倾滚动和侧偏滚动等工况下的轮胎结构分析策略。通过较充分的对比考评表明,非均分的组合花纹轮胎模型和变节距的组合花纹轮胎模型是最有效的,可以在求解精度基本相同的前提下大大提高计算效率。在上述基础上,对充气、静负荷、自由滚动、驱动、制动、侧倾滚动和侧偏滚动等工况下的半钢子午线轮胎结构力学特征进行了较系统的分析研究。较系统地揭示了半钢子午线轮胎骨架结构的受力特征。充气压力和负荷的改变没有影响充气工况和静负荷工况下的轮胎骨架结构受力分布的总体特征;自由滚动工况下的受力分布与静负荷工况基本相同,轮胎接地端附近的胎体层帘线、带束层帘线和胎圈钢丝中均出现了不同程度的受压情况;在驱动和制动工况下的受力分布与自由滚动工况比较接近;在侧倾滚动和侧偏滚动工况下轮胎骨架结构受力分布呈现出明显的左右不对称性,帘线轴力的最大值大幅增加,同时受压情况也更加严重。较系统地揭示了半钢子午线轮胎橡胶结构的受力变形特征。各种工况下轮胎橡胶的可能危险区域均集中于胎冠部、胎肩部和胎圈部:与充气工况相比,静负荷和自由滚动工况下的橡胶受力变形情况更加复杂,接地端的可能危险区域内的应力应变水平大幅提高;在驱动和制动工况下,轮胎胎面体部分橡胶的受力变形情况与自由滚动工况有比较显著的差异,同时花纹块在接地面附近的区域成为新的可能危险区域;在侧倾和侧偏工况下,尤其是侧偏工况下,轮胎橡胶的受力变形情况与自由滚动工况的差异非常显著,在轮胎一侧的主体部分橡胶的应力应变水平明显增高,同时花纹块底部、胎侧部和胎圈部均出现了新的可能危险区域。揭示了帘线角的改变对半钢子午线轮胎结构静力学性能的影响。轮胎径向刚度随帘线角的增加而减小,并在帘线角超过某一数值后急剧减小;胎肩部橡胶内危险区域的剪应力、Mises应力和应变能密度等力学量随着帘线角的增加先增加后减小。此外,带束层帘线沿横向变角度铺设的轮胎模型的分析结果表明,这种轮胎具有较好的力学性能,在保证了较高的径向刚度的同时,改善了带束层帘线和胎肩部橡胶的受力状况。初步地揭示了胎面花纹对充气、静负荷、自由滚动和侧偏滚动工况下的子午线轮胎结构受力变形特征,自由滚动和侧偏滚动工况下的轮胎接地性能,以及侧偏滚动工况下的轮胎力学特性的影响。就轮胎结构的受力变形特征而言,横向花纹和纵向花纹对各种工况下的胎面体部分的橡胶受力变形情况均有明显的影响;尽管胎面花纹没有改变轮胎主体部分橡胶的应力应变场的总体分布特征,但是对各个危险区域的应力应变水平均有不同程度的影响;对轮胎骨架结构受力分布的影响较小。就轮胎接地性能而言,纵向花纹和横向花纹的存在使轮胎的接地包络面面积、接地压力水平以及接地压力分布的不均匀性均有所增加。就侧偏力学特性而言,纵向花纹和横向花纹的存在使轮胎的侧偏刚度及回正刚度均有较明显的降低,临界侧偏角则略有增加。综上所述,只有计及复杂胎面花纹的轮胎结构有限元分析才能给出更为准确可靠的结果。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
第一章绪论  13-30
  1.1 引言  13-14
  1.2 轮胎结构有限元建模技术  14-26
    1.2.1 子午线轮胎及其胎面花纹  14-16
    1.2.2 忽略横向花纹的轮胎有限元模型  16-18
    1.2.3 计及复杂胎面花纹的轮胎有限元模型  18-26
  1.3 计及复杂花纹轮胎有限元模型的求解策略  26-28
    1.3.1 使用隐式算法求解准静态问题  26
    1.3.2 使用显式算法求解动力学问题  26-27
    1.3.3 使用隐式算法进行轮胎稳态滚动分析  27-28
  1.4 本文工作  28-30
第二章子午线轮胎的材料参数和结构参数  30-40
  2.1 本文分析用轮胎结构简介  30-31
  2.2 子午线轮胎的材料参数  31-33
    2.2.1 轮胎橡胶材料力学性能的测试和表征  31-32
    2.2.2 轮胎骨架材料力学性能的测试和表征  32-33
  2.3 子午线轮胎的结构参数  33-38
    2.3.1 轮胎外轮廓测量  34-35
    2.3.2 轮胎内轮廓测量  35-36
    2.3.3 带束层结构参数测量  36-38
    2.3.4 其他结构测量工作  38
  2.4 本章小结  38-40
第三章计及复杂胎面花纹的轮胎有限元建模  40-55
  3.1 基于周向保角映射的胎面花纹建模方法  40-41
  3.2 基于类保角映射簇的胎面花纹建模方法  41-49
  3.3 组合花纹轮胎模型的建立  49-52
    3.3.1 非均分的组合花纹轮胎模型  49-50
    3.3.2 均分的组合花纹轮胎模型  50
    3.3.3 周期性的组合花纹轮胎模型  50-51
    3.3.4 变节距的组合花纹轮胎模型  51
    3.3.5 四种类型的组合花纹轮胎模型的对比  51-52
  3.4 花纹轮胎模型中的其他问题  52-53
  3.5 本章小结  53-55
第四章 185/60R14轮胎结构静力分析  55-88
  4.1 组合花纹轮胎模型以及相关考评  55-62
    4.1.1 轮胎有限元模型  55-58
    4.1.2 相关考评  58-62
  4.2 轮胎结构受力分析  62-81
    4.2.1 轮胎骨架结构受力分析  62-74
    4.2.2 轮胎橡胶应力应变分析  74-81
  4.3 带束层帘线角对轮胎结构力学性能的影响  81-86
    4.3.1 轮胎径向刚度  81-83
    4.3.2 轮胎骨架结构受力分析  83-84
    4.3.3 轮胎橡胶应力应变分析  84-86
  4.4 本章小结  86-88
第五章 205/55R16轮胎结构稳态滚动分析  88-122
  5.1 组合花纹轮胎模型以及相关考评  88-98
    5.1.1 用于径直滚动分析的轮胎模型以及相关考评  88-95
    5.1.2 用于侧偏滚动分析的轮胎模型  95-98
  5.2 自由滚动工况下的轮胎结构力学特征  98-105
    5.2.1 轮胎骨架结构受力分析  98-100
    5.2.2 轮胎橡胶应力应变分析  100-103
    5.2.3 轮胎接地性能分析  103-105
  5.3 不同滚动工况对轮胎结构力学性能的影响  105-116
    5.3.1 不同滚动工况对轮胎接地性能和力学特性的影响  105-111
    5.3.2 不同滚动工况对轮胎骨架结构受力特征的影响  111-113
    5.3.3 不同滚动工况对轮胎橡胶受力变形特征的影响  113-116
  5.4 胎面花纹对稳态滚动轮胎结构力学性能的影响  116-120
    5.4.1 自由滚动工况  116-117
    5.4.2 侧偏滚动工况  117-120
  5.5 本章小结  120-122
第六章总结与展望  122-125
  6.1 全文总结  122-123
  6.2 展望  123-125
参考文献  125-130

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