案例24-充气滚动轮胎的静水压流体分析

本案例演示了如何对一个被固体（容器）完全包围的流体进行建模，本问题展示了载荷如何施加在容器上和对应的容器变形，影响压力、体积、密度和包围液体的质量。

主要用到了下列特点和能力：

• 使用具有负体积和正体积的静水压流体单元

• 气体材料模型

• 加固

一个充气滚动轮胎的瞬态分析将通过多个载荷步展示轮胎的变形。

简介

对于包含流体-固体之间相互作用的耦合问题，静水压流体单元很适合计算流体体积和压力。通过对静水压流体的建模，我们可以研究当其包含在一个固体当中对固体施加多种载荷时流体行为的变化。

这样的分析在本案例的问题中很有用，能够检查在一个轮胎充气和滚动过程中其内部的空气压力、密度和体积的改变。另一个案例应用是研究活塞在压力缸移动过程中内部气体体积和压力的改变。

汽车行业致力于改进气体燃烧效率和减小能量损耗，而两者均受到车辆轮胎的滚动阻力影响。为了实现上述两个目标，准确预测滚动变形轮胎内部的气体变化情况是十分必要的。

问题描述

一个三维轮胎模型充气并在道路表面受压，然后滚动过路面的一个隆起处。轮胎由超弹性材料和加固单元建模，内部的空气由静水压流体单元建模，当载荷施加到轮胎时，监控其压力、体积和密度。

轮胎充气到36psi，1ton压力施加在车轴上来模拟车辆在该车轴上作用的质量部分。

分析分为五个载荷步：

1. 施加重力载荷并设置空气的参考温度

2. 将轮胎充气

3. 将轮胎移动到路面上

4. 移除位移和压力边界条件

5. 施加一个加速度边界条件使轮胎滚过隆起处

载荷步1-4静态加载，载荷步5为瞬态分析，来研究加载效应对竖直加速度的影响。

建模：

为模拟实际情况，轮胎尺寸与P215/65R16/minivan的一个轮胎大致相同。轮胎使用不可压缩超弹性材料模型，在实体单元内部有加强单元，用于模拟轮胎结构中的钢加固。

轮胎建模为实体：

通过两个关键点定义一个旋转轴，将划分的二维网格绕该轴旋转，得到由SOLID186单元划分的三维轮胎模型。

轮胎内部的空气建模：

轮胎内部的空气由HSFLD242静水压力单元建模。单元由固体单元上面分布的压力节点ID生成（ESURF）来包含空气。下图显示了在固体单元上生成的流体单元。

因为流体单元像金字塔形状，在每个压力节点ID上有共顶点，流体单元也包含一些不 希望得到的体积。所以流体单元只存在于空气应该存在的区域，在不希望有的区域内流体单元具有负体积，如下图所示：

该技术包含通过顺时针排列的节点手动生成气体单元。

轮胎加固部分建模：

加强部分由加固单元REINF265建模。不同材料模型用于定义路面接触区域的加固和侧面壁。

下例展示了如何用REINF256单元建模：

轮胎边沿部分建模：

轮胎边缘通过使用多点约束（MPC）算法（刚性约束）定义为刚体，如下图所示：

在边沿节点上使用节点-面接触单元CONTA175，目标单元TARGE170用于定义在轮胎中心的引导点。下面展示了如何建模边沿：

建模轮胎与路面的接触：

轮胎表面与路面的接触部分用CONTA174单元，路面建模为刚性目标面（TSHAP,QUAD），为接触单元指定冲击约束（KEYOPT(7)=4）。

材料属性：

   轮胎橡胶采用超弹性材料，空气采用不可压缩气体材料模型，钢作为加固材料。

边界条件和加载：

因为该问题有五个加载步，所以要在每个加载步中施加不同的边界条件。

载荷步1：

约束代表车轴重心的引导点，为模拟车辆质量，施加1ton的重力载荷，压力节点的初始温度为20℃。

载荷步2：

为将轮胎充气，在压力节点通过施加一个压力边界条件（36psi/0.2482128n/mm^2的静水压力）约束住。约束等效于在下方的固体表面上施加表面载荷。

载荷步3：

通过指定引导点的位移边界条件，使轮胎向下移动并与路面接触。

载荷步4：

移除所有的压力和位移边界条件。

载荷步5：

在引导点施加一个加速度边界条件。

分析和结果控制：

做一个使用HHT时间积分法的非线性瞬态分析，载荷步1-4为静态分析，在载荷步5中包含瞬态效应。

结果和讨论：

时间历程响应显示了每个载荷步中轮胎内部的空气压力、体积、密度和质量。

将通过静水压力单元HSFLD242模拟空气得到的结果与解析结果做对比。

轮胎内部的气体体积由表层的固体所决定，所以看做给定量，压力、密度和质量由下式计算得到：

静水压力作为HDSP的自由度结果的输出。NMISC输出量（TVOL,DENSITY,andTMAS）提供了整个流体体积的结果，所以所有共享压力节点的静水压流体单元有相同的输出值。

时间历程响应：

下图显示了每个载荷步中内部空气的情况和其对车轴的影响：

建议

在做固体容器包含液体的相似分析时，考虑下列的建议：

• 验证流体单元

在用ESURF生成流体单元后，注意它们是正体积还是负体积，如果节点沿顺时针方向排列，或者容器法向向外指向压力节点，则流体单元为负体积。

• 基于流体单元的体积引入流体质量

为静水压流体设置KEYOPT(5)=1，如果体积变为负，则不加质量。

• 定义流体压缩类型

为静水压流体设置KEYOPT(6)=0来建模可压缩流体（默认），或KEYOPT(6)=1来建模不可压缩流体。

• 仔细确定压力节点的位置

压力节点可以在流体体积内部的任何位置，如果流体由一个或多个对称的线或平面限制，则压力节点必须在对称的线或面上，或者在相交拐角或者多对称线或平面的线上，而且必须有对称边界条件。

• 正确使用冲击约束

对于接触，定义冲击约束KEYOPT(7)=4，该选项在瞬态动力分析中为标准（默认）或粗糙接触（KEYOPT(12)=0或1）提供包含自动时间增量的调整。

• 显示加强单元