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1、第28卷第2期北京化工大学学报Vol.28,No.22001年JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGY2001斜交轮胎的三维有限元模型孙淮松崔文勇徐鸿(北京化工大学机电工程学院,北京100029)摘要:利用AUTOCAD绘制轮胎断面轮廓图和材料分布图;编写AUTOLISP程序实现CAD与ANSYS的接口;采用ANSYS有限元程序中的三维体单元、层单元建立的斜交轮胎(9.00220216PR)的三维有限元模型可有效地用于轮胎的非线性有限元分析。从而进一步完善了斜交轮胎三维有限元模型的技术。关键词:斜交轮胎;非线性分析;有
2、限元模型中图分类号:O242121我国公路的实际状况,斜交轮胎仍将有很大的市场,对斜交轮胎进行理论分析及优化设计有着十[1]分重要的实际工程意义。当前世界各大轮胎公司都已采用CAD技术设计其产品结构,并用三维有限元技术来模拟轮胎在各种工况下的力学行为。有限元分析方法在子午线轮胎结构设计与性能分析中已被广泛采用,但很少见到用该方法研究斜交轮胎的报道。笔者认为三维非线性有限元法也是目前能够最有效地模拟斜交轮胎性能的技术方法之一。1轮胎径向截面有限元节点的形成1.1绘制轮胎结构初始轮廓曲线图1轮胎断面轮廓图轮胎结构设计的第一步是确定轮胎的初始轮廓Fig.1Biastire’s
3、sectioncontour曲线。斜交轮胎的初始轮廓曲线可采用文献[2]中所述的作图法确定。图1、图2分别为用CAD技术绘成的9100220216PR的斜交轮胎的径向截面轮廓图及材料分布图。1.2数字化轮廓的绘制由于采用ANSYS软件进行有限元分析,因此为了更好地实现CAD模型与ANSYS的接口,特将轮胎的材料分布图制成数字化轮廓图。采用数字化轮廓,可以在屏幕上交互地随意改变这些坐标点的位置以灵活地改变轮廓曲线形状。而且,还可以把这些数字化的坐标点与有限元网格节点有机地结合在一起。一般采用圆柱坐标系,取轮胎轴线的中心图2材料分布图为坐标原点,轮胎径向为r方向,轮胎周向为
4、θ方Fig.2Plotofmaterialdistribution向,轴向为z方向。1.3CAD模块与ANSYS软件的接口目前大型通用有限元(FE)软件包都带有IGES收稿日期:2000209205第一作者:男,1976年生,硕士生文件接口。通过这条公共通道,在CAD系统中所建第2期孙淮松等:斜交轮胎的三维有限元模型·61·成的模型都可以被直接读取到FE软件的前处理模要明确定义的材料性质有杨氏模量、泊松比(或剪切块中。这里所研究的轮胎模型,虽然同样也可以将模量)、密度等。当涉及热分析时,还有材料的热导CAD系统中所建成的轮胎三维实体模型直接读取率系数和热膨胀系数等。到F
5、E软件的前处理模块中来,但会引起如下问题:2.2单元类型的选择(1)轮胎是由复合材料构成,将CAD软件中轮对于构成轮胎各个部分的材料,需要采用适当胎三维实体模型读取到FE软件中,难以定义复合的单元来模拟,所采用的单元应能反映材料的本构材料的性质。规律。由于轮胎性能的复杂性,如果仅建立斜交轮(2)CAD软件中轮胎三维实体模型读取到FE胎的平面模型,显然无法满足以后对斜交轮胎进行软件中后,在进行单元划分时,其单元及节点的位全面的性能分析的要求。所以选用三维固体单元对置,单元与节点的关系等不容易确定,给后处理中分斜交轮胎进行模拟。具体采用的单元类型主要有体析结果的定位与提取造
6、成不便。单元Solid45,层单元Solid46等[4]。(3)为提高运算效率,最大限度地减少单元总2.3单元的形成数是本研究中的一项重要指标,为此,对轮胎多层结对结构或材料特性简单的物体,建模时可先生构部位拟采用Solid46层单元。这种层单元的分层成几何实体,再定义单元尺寸,然后进行自动网格划方向由单元节点顺序决定。因此,若采用自动网格分,按总体坐标定义材料特性,这样就可得到正确的划分方式将会导致一些部位层单元分层方向的失有限元模型。但在用层单元模拟轮胎时,则不能用[3]控。常规方式。因为斜交轮胎结构复杂,共由10多种材因此,专门设计了CAD数字化轮胎径向截面轮料组
7、成,其中多为正交各向异性材料,且每种材料在廓图与FE模型的接口程序。它的主要任务就是将不同的位置方向不同,用单一的总体坐标无法恰如CAD模块中数字化轮胎径向截面轮廓信息,写成一其分地模拟,而要依赖每个的局部坐标来定义材料个FE程序能读取的命令流。运行此接口程序,生特性,输出计算结果。成的命令流在ANSYS中运行后将得到轮胎轮廓断在ANSYS中,将当前的坐标系转化为柱坐标面的节点坐标。图3即为运行此接口程序后在AN2系,并且将轮胎轮廓半个断面上的节点沿θ方向旋SYS中所得到的半个轮廓断面的节点位置。转5°,即得到两个断面上的节点。以内轮廓面
