ABAQUS三维轮胎充气滚动案例 原创

轮胎的材料与结构通常比较复杂，外层通常由坚固的合成橡胶制成，内层则由多层交织的尼龙纤维与交错排列的钢丝帘布组成，内部结构包括胎面、胎体、胎壁、钢线圈、子口护胶、内面层与带束层等多个部分，如图1所示。

图1子午线轮胎结构分布图

目前不少工作对轮胎的建模通常采用轴对称单元，在充气后通过修改INP文件将轮胎置于路面上令其滚动观察响应，本工作分享一种采用三维实体单元的轮胎建模方法。

1 建模

1.1 轮胎本体建模

本工作选用的轮胎直径为660mm，断面宽度为200mm，绘制轮胎截面草图如图2(a)所示，并绕中心轴旋转360°后得到如图2(b)所示的轮胎。

(a)轮胎截面草图

(b)轮胎实体

图2 轮胎建模

1.2 加强层建模

新建一个part，三维，壳，绘制出加强层轮廓，并绕中心轴旋转360°，注意加强层不应超出轮胎边界，如图3所示。

1.3 材料

轮胎胎面与胎壁赋予超弹性材料，本工作选用二参数Mooney-Rivilin模型，参数设置如下：

轮辋处选用钢材料，杨氏模量为210000MPa，泊松比为0.28。

对于加强层材料，采用各向同性壳截面进行定义。定义其厚度与Rebar layers属性，并对应部件进行赋予。

(a)加强层截面草图

(b)加强层实体

图3 加强层建模

1.4 装配

装配后的轮胎模型如图4所示，加强层通过Embedded regions技术嵌入轮胎中，主体区域选择轮胎模型，嵌入区域选择对应的加强层区域。对于赋予了超弹性材料的区域，其网格需采用C3D8RH，其余区域采用C3D8R或S4R即可，网格尺寸为6mm。

图4 轮胎装配

2 充气

对轮胎充气通常有两种方法：均布压力法与流体腔法。均布压力法即对轮胎内侧表面法向上施加压力，达到充气的目的，大多数汽车仿真即采用该方法对汽车轮胎进行充气。流体腔法通常用于模拟充满液体或气体的结构，可反映由于受到结构变形影响，本工作选用流体腔法对轮胎进行充气。

定义流体腔时，首先定义一个参考点与一个完全封闭的表面。参考点作为流体腔关联的腔体参考节点，用于标识流体腔。完全封闭表面用于指定流体腔边界，其表面法线指向流体腔内部。流体腔定义如图5所示，P2即为所选参考点，表面选择轮胎内表面。

图5流体腔表面与参考点定义

3 滚动设置

在轮胎下方放置一平面，平面与轮胎最低点距离应大于充气后轮胎底部膨胀位移，平面与轮胎间摩擦力为0.05。仿真总共采用三个分析步进行：第一个分析步采用一般静力分析，对轮胎施加压力为0.618 MPa的内压与重力，并约束轮胎中心点6个方向的自由度（轮胎中心点已与轮辋部分动态耦合，可通过控制轮胎中心点的运动来控制整个轮胎的运动）；第二个分析步采用隐式动力学分析，解开轮胎中心点x方向、y方向的位移约束与绕z轴方向的转动约束，赋予轮胎x方向8 m/s与y方向1.5 m/s（对应于轮胎在113.9mm高度落震时的冲击速度）的速度；第三个分析步采用隐式动力学分析，取消施加在轮胎上的速度，控制轮胎以上述初速度撞击甲板，观察响应。滚动模型如图6所示。

图6轮胎滚动有限元模型

4 结果

轮胎充气位移云图如图7所示，在靠近轮辋处的胎壁位移较大，最大为12.81 mm，而在胎面处的位移变化则较为不明显，仅2 mm左右，胎壁与胎面在充气后各自位移的变化情况与文献[1]中机轮充气后的位移云图有较好的一致性。

图7轮胎充气位移云图

图8轮胎滚动云图

文献

[1] Gan Y, Fang X, Wei X, et al. Numerical and experimental testing of aircraft tyre impact during landing[J]. The Aeronautical Journal, 2021, 125(1294): 2200-2216.