利用有限元软件研究汽车轮胎与道路接触应力

关键词： 接触变形 接触应力 有限元 轮胎

1、轮胎的结构分析

1.1 本构模型

1.2 结构分析

子午线轮胎为多层结构，由外胎、内胎、垫带3部分组成。外胎由胎体、胎冠带束层、胎面花纹、胎侧等部分组成，其断面形状如图1所示。胎面底胶和胎侧胶为各向同性，胎冠帘布层和胎冠带束层为各向异性[11-12]。

图1子午线轮胎断面结构示意图

2、轮胎有限元分析

2.1 单元的选择

在建立有限元模型时，轮胎内的空气使用流体静压单元HSFLD242模拟，轮胎内强化纤维使用reinf265单元模拟，汽车重量采用MASS21质量单元模拟。

轮胎与道路的接触采用刚柔接触模型进行模拟。其中，将路面定义为刚性的目标面，目标单元采用TARGE170单元；将轮胎定义为柔性的接触面，接触单元采用CONTA174单元。接触单元CONTA174和目标单元TARGE170通过共享一组实常数实现配对，形成轮胎与道路接触单元。模拟道路与轮胎实际接触时，在刚性目标单元上施加载荷。

2.2 载荷的施加及其边界条件

图2轮胎有限元模型

2.3 轮胎接触问题的有限元计算结果及其分析

轮胎的非线性特性包括几何非线性特性、材料非线性特性、非线性边界条件[13]。轮胎在充气气压的作用下，形状会发生显著变形，轮胎的应力与应变呈非线性关系。轮胎材料的有限元基本方程为Kuu=P。式中P为结点外荷载矢量，u为结点位移矢量，Ku为总体刚度矩阵。轮胎材料的有限元方程为非线性方程组，求解时按照非线性方程组的解法进行求解。

求解时，将轮胎与道路接触问题的计算选项定义为瞬态分析，并打开大变形开关。将轮胎承受载荷分为5个载荷步逐步加载，每个载荷步分为若干子步，并通过合理控制步长以避免步长过小导致计算量太大或步长过大造成不收敛。为避免计算结果出现较大误差，收敛准则使用位移收敛准则和力收敛准则，收敛精度为0.5%。收敛精度计算过程如图3所示。工况1按4个载荷步进行计算。计算结果显示:轮胎内圈有效应力最大，为16MPa(图4)；轮胎最大下沉量为40mm(图5)；轮胎有限元模型的胎侧部位向外膨胀突出(图6)；轮胎的最大横向位移为4.8mm。

图3收敛精度的计算过程；图4轮胎有效应力分析；图5轮胎下沉量分析；图6轮胎横向位移分析

工况2的有限元计算结果表明，轮胎内圈等效应力最大，为24MPa，如图7所示。由图8可以看出，轮胎周向的接触应力从轮胎接地部分向两边逐渐减小，呈对称分布，其中轮胎接地部分接触应力最大。由图9可以看出，轮胎与道路发生滚动接触后，轮胎被压成扁平状(两侧对称分布)，轮胎周向的横向位移从轮胎接触部分向胎圈部位逐渐过渡，变形逐渐减小；其中胎侧下端中部变形最大，最大位移值为23mm。对比图6和图9可知，工况2的横向变形比工况1明显。

图7轮胎等效应力分析；图8轮胎周向路径接触应力分析；图9轮胎横向位移分析；

3、结论