國家重獎＋9億銷售！ABAQUS橡膠輪胎模擬設計大有可為

作者 |

模擬居工模擬秀專欄講師

首發

| 模擬秀公眾號（ID：fangzhenxiu2018）

導讀：

日前，國家智慧財產權局第二十一屆中國專利獎評選結果出爐，由萬力輪胎申報的“

一種ABAQUS輪胎模型中rebar單元網格的自動生成方法

”，憑藉前沿的研發實力和創新的設計理念，

在2400餘項研發成果中大放異彩

，成為

輪胎行業唯一上榜中國專利優秀專案橡膠企業名單的重

磅“選手”。

一、ABAQUS有限元分析在輪胎行業的研發價值

在“一種ABAQUS輪胎模型中rebar單元網格的自動生成方法”專利基礎上，萬力輪胎進一步聚焦輪胎模型中骨架材料全部自動化生成的技術難點，形成萬力自主開發的輪胎有限元模型自動建模軟體，併成功應用於H220和SA302系列產品。

截至2018年底，應用該技術的產品銷售額已超過9億元人民幣，獲得了市場的高度認可。

二、汽車輪胎設計中的ABAQUS有限元分析

輪胎作為聯結汽車車身與道路的部件，其不僅影響汽車行駛中的安全性、經濟性、平順性以及舒適性，還在汽車的環保效能和運輸效率方面起著非常重要的作用。

可以說一部汽車各種效能的好壞與輪胎力學效能的好壞具有直接關係。

隨著汽車工業與高速路的迅猛發展，對輪胎的各項效能也提出了越來越高的要求，研發效能更優越的輪胎成為輪胎企業在市場競爭中脫穎而出的關鍵因素。

縱觀輪胎的發展歷程，

其很大程度上依賴於理論基礎和生產技術的進步。

由最初主要基於簡單力學理論的經驗設計階段，逐漸進入基於非自然平衡輪廓理論的半經驗設計階段，目前，輪胎工業藉助計算機技術進入了智慧化和自動化設計階段。

由於輪胎結構及其複雜，輪胎力學特徵相當複雜、各組成部分材料屬性也很複雜，所以直到20世紀中後期，有限元分析才在輪胎的工程設計和力學分析中得到了廣泛應用，有限元法可以模擬出輪胎的是不同工況下的實際形狀，實現對採用不同材料的輪胎各部位能進行模擬計算，特別是針對輪胎在垂直荷載作用下的應力與應變問題、非對稱性荷載作用下輪胎的接觸問題、接地區域的壓力分佈問題以及動態下的應力——

應變場等問題都可以藉助有限元分析解決。

下面以子午線輪胎為例，

講述充氣輪胎的裝配過程和充氣過程的有限元模擬分析。

1、分析模型建立

正如前文所說，輪胎結構複雜，各組成部分材料屬性也很複雜，所以在建立輪胎結構的有限元分析模型時，必須考慮輪胎工作時存在的幾何非線性、材料非線性及接觸非線性。另外為了簡化計算過程，減少計算耗時，還需要對輪胎進行合理的簡化處理，使建立的有限元模型既能反映出在輪胎各種工況下的變形特徵，也可以降低計算收斂難度、節約時間。本文中做出如下簡化：

1、忽略輪胎橫向紋路，將三維模型轉化為二維軸對稱模型；

2、省去了輪輞與其相應結構；

3、採用加強筋模型模擬帶束層和簾線層。

2、網格劃分及所選擇單元型別

在有限元分析中網格劃分是非常重要的環節，模擬模擬結果的收斂性的好壞、計算精度及計算時間的長短都受網格劃分優劣的影響，如果網格劃分的都是正多邊形和正多面體這種理想形狀的單元，例如等邊三角形單元，正方形單元，立方體單元等等，這樣的單元可以減少或者避免ABAQUS計算剛度矩陣時出現錯誤以及誤差。本例項中輪胎選用二維軸對稱模型建立，其橡膠基體的單元型別為CAX4H單元，針對帶束層和簾線層採用SFMAXl單元。

3、裝配載荷

模擬輪胎過盈裝配，對護膠施載入荷，透過其裝配動畫、應變雲圖和接觸壓力雲圖，檢視其裝配狀態。由雲圖可以看出，護膠與輪輞接觸緊密，且應變最大的部分為胎側，這是由於胎側相對較為柔軟，易發生形變。這也與實際變形情況吻合。

4、充氣載荷

對裝配好的輪胎模型施加充氣載荷，輪胎充氣載荷主要受是作用在輪胎內壁的充氣壓力，對輪胎施加0。24MPa的氣壓後，輪胎的形狀發生了相應的形變，胎側向外膨脹，胎冠略向上移，變形主要發生在輪胎的胎側部分，胎冠變化小於胎側，胎肩兩側基本不變，與實際生活中輪胎充氣過程相比，其變形情況比較符合。

與裝配階段對比，忽略與輪輞接觸位置，充氣後輪胎應力多集中與胎肩位置，且胎側出有應力集中帶，相較於胎冠位置，胎側應力較大，這也從側面說明了輪胎在使用的時候，胎側更容易損壞，另外，觀察路徑上的應力分佈發現，輪冠處應力：S11>S22，而輪側處應力：S22>S11，且均為負值，即輪胎整體受力狀態一致，均處於受拉狀態。