滚动轮胎接地性能有限元分析

为深入理解轮胎滚动运动学机理，建立了轮胎在平面上滚动的三维非线性有限元模型。在模型中考虑了轮胎的几何非线性、材料非线性以及轮胎接触非线性，计算了子午线轮胎195／60R14在不同速度滚动时的变形情况、接地区压力分布、摩擦力分布、带束层应力分布等滚动特性。重点对轮胎胎面的变形情况进行了分析，为轮胎结构设计、振动与噪声分析提供了依据。     

轮胎物理参数对接地压力分布非对称性的定量影响研究

提出接地压力非对称指数的概念,利用轮胎环模型来定量研究接地压力分布的不对称性,分析了物理参数对非对称指数的非线性影响规律。结果发现影响轮胎接地压力分布非对称性的主次因素依次为:角速度、阻尼、带束层有效密度、充气压力、垂向载荷、侧壁径向弹簧参数、带束层径向弹簧参数及带束层有效抗弯刚度。在参数±40%变化范围内,垂向载荷、充气压力和侧壁径向弹簧参数对接地压力分布非对称指数的影响最大。     

子午线轮胎的滚动瞬态碰撞有限元分析

考虑轮胎材料、几何及其与地面接触的非线性,借助ABAQUS软件建立了子午线轮胎滚动瞬态碰撞的三维有限元模型,并与轮胎径向刚度试验结果对比验证了该模型的有效性。对轮胎在标准气压,一定载荷的情况下轮胎与路面碰撞进行了模拟,分析了轮胎与路面碰撞的不同阶段接地压力、Mises应力、带束层帘线应力,纵向剪切应力的变化特征,以及轮胎垂直响应和转角速度变化情况。这些研究结果反应了轮胎的滚动碰撞对轮胎路面接触受力有很大影响,对改进轮胎的结构设计、轮胎接地瞬态受力分析及轮胎振动分析提供了一定的参考价值。     

工程车辆翻新轮胎温升特性研究

为了进一步明确工程车辆翻新轮胎的温升特性,利用Creo及ANSYS Workbench软件构建了计算机几何模型及有限元分析模型,确定了稳态温度场有限元分析的边界条件,构建了工程车辆翻新轮胎滚动工况稳态温度场测试系统,获得了胎面层、缓冲层、带束层、胎体层、胎侧层、趾口胶层沿轮胎宽度方向及径向方向的温度场分布特性和热通量分布特性。仿真及试验结果均表明:胎体层胎肩两侧温度最高,带束层、缓冲层及胎面层宽度方向两侧温度最低;翻新轮胎内部温度随着车速的增加而逐渐升高,其中缓冲层和胎面层的温度增大幅度较大,胎体层次之,带束层的温度增大幅度最小;胎体层在靠近胎肩部位热通量最大,带束层和胎面层宽度方向两侧部位热通量最大,缓冲层宽度方向两侧部位热通量最大,胎侧层与胎体层交界处热通量最大,趾口胶层与胎体层交界处热通量最大,钢丝圈中间部位热通量最大。     

轮胎胎体轮廓设计对侧偏刚度的影响研究

以某205/55R16型轿车子午线轮胎为研究对象,利用ABAQUS建立计及复杂花纹的轮胎稳态侧偏滚动3D有限元分析模型,并通过侧偏特性转鼓试验验证仿真模型的可靠性。为研究胎体轮廓设计对轮胎侧偏刚度的影响,以胎体弦平衡轮廓理论为基础,提出带束层压力分担率简化为梯形的修正胎体弦平衡轮廓理论,编制轮廓计算程序。结合仿真模型,从接地特性和侧偏刚度的角度与现行设计轮胎作对比分析;进而设计出不同带束层压力分担率的胎体轮廓,仿真研究不同带束层压力分担率下胎体轮廓设计对轮胎侧偏刚度的影响。结果表明,应用胎体弦平衡轮廓修正理论设计的轮胎接地面积略有增大,接地压力偏度值下降;接地特性的改善使轮胎的侧偏刚度得到提升,有利于轮胎的操纵性能;不同带束层压力分担率的胎体轮廓对轮胎的侧偏刚度具有一定的影响。     

低滚动阻力轮胎结构设计

将轮胎断面划分为胎冠区域和非胎冠区域,采用有限元分析方法和灵敏度分析,建立滚动阻力和区域能量损耗的关系,进行低滚动阻力轮胎结构设计,达到降低滚动阻力的目的。结果表明,变化区域能量损耗与滚动阻力呈线性变化。胎面结构对胎冠区域能量损耗的贡献度高达69%,对胎冠区域能量变化起决定性作用。合理的降低1#和2#带束层宽度,能降低胎面能量损耗,2#带束层对于胎面能量损耗的灵敏度更高。耐磨胶、胎体层、三角胶胎侧对非胎冠区域能量损耗的贡献度相当,在30%左右。合理的增加耐磨胶高度有利于耐磨胶和胎体能量损耗的降低。合理的降低三角胶高度会降低非胎冠区域能量损耗。基于区域能量损耗与轮胎结构关系,对轮胎胎体结构进行方案设计,最优方案比原始滚动阻力降低9.5%。     

轮胎稳态运动学与六分力预报Ⅰ:理论与方法

提出一种新的轮胎运动学描述和六分力预报理论。滚动接触是汽车轮胎力学、轮轨动力学的核心问题,由于涉及刚体转动与有限变形,滚动接触运动学与动力学的描述与求解非常困难。用拉格朗日—欧拉混合描述法分析大变形滚动接触结构的速度场、加速度场和接触变形。以车轮定位角为卡尔丹角,用拉格朗日描述,得到了包含刚体转动和弹性变形的轮胎速度场。而接触区域的变形和受力用欧拉描述,通过欧拉网格和拉格朗日网格的信息传递,完成滚动结构动力学分析。所提出的理论可以退化到Fiala模型,并可以从理论上解释子午线轮胎的伪侧偏和伪侧倾现象。基于所建立的运动学理论和非线性有限元,建立轮胎六分力预报方法。针对某轿车子午线轮胎,分析轮胎接地面滑移速度、接地面积、接地压力、侧向剪力分布等随着侧偏角的变化规律,并研究该轮胎侧偏力和回正力矩随着胎面刚度和摩擦因数的参数敏感性。结果表明轮胎侧偏刚度和回正刚度主要受结构刚度控制,而峰值侧偏力和峰值回正力矩主要受摩擦因数控制。将利用所建立的方法和试验,探讨带束层结构对大规格子午线轮胎侧偏特性的影响规律,进一步验证所提出的理论和方法的正确性。所提出的理论和方法开辟了直接从轮胎设计预报轮胎六分力的新途径。     

考虑轴头驱动和侧倾力矩的轮胎接地性态建模

采用欧拉梁和侧向分片的方法模拟轮胎侧向变形特性,利用二元傅里叶级数构造带束层单元的位移场,胎面横截面外轮廓设定为二次函数,建立了基于驱动力矩和侧倾力矩的轮胎三维接地性态解析计算模型。结合轮胎刷子模型计算了轮胎的纵向力和侧向力,并进行了验证。结果表明,模型具有较高的精度和效率。研究结果可为研究轮胎磨损和轮胎力学特性提供更为精确的三维接地压力分布解析模型,并为轮胎物理模型的解析研究提供新的思路和方法。     

跨座式单轨走行轮轮胎工作模态与偏磨关系研究

跨座式单轨列车在重庆推广运营过程中出现了严重的偏磨损现象并引发一系列安全、环境、运行成本等问题。为探索其偏磨机理及控制方法,采用ABAQUS软件建立了走行轮轮胎的有限元模型,通过轮胎模态试验验证了其建模方法的有效性,并基于行波理论,利用有限元方法计算了考虑走行轮轮胎滚动效应的工作模态,同时探索了走行轮轮胎工作模态与偏磨的关联关系。并根据轮胎结构与模态的内在关系,提出了通过改变轮胎结构参数来控制走行轮轮胎偏磨的控制方法。分析结果表明:通过合理改变0°带束层弹性模量可以降低走行轮一阶扭转前后行波差,有效降低跨座式单轨走行轮的偏磨。     

网格尺度对轮胎驻波仿真的影响分析

以某子午线轮胎为研究对象,在solidworks中建立橡胶层、帘布层、带束层、补强层,钢丝实体模型,然后导入Nastran中建立有限元模型,在不同网格尺度的情况下分析静载荷下的应力和变形量。结果对比显示,该轮胎在10mm网格大小分析精度及计算量最优。此结果对后续更准确的进行轮胎驻波临界速度仿真分析和轮胎的合理性评价都提供了有效的数据支撑。     

子午线轮胎静态侧倾性能有限元分析及试验研究

采用三维非线性有限元分析方法,在模型中考虑了轮胎的几何非线性、材料非线性以及轮胎接触非线性,计算了子午线轮胎195/60R14在不同角度侧倾接地时的变形情况,与试验结果进行了比较。分析了轮胎在静态不同角度侧倾接地状况下载荷-下沉量变化、接地区压力分布、接地区摩擦力分布、侧倾侧向力-侧倾角变化关系;采用连续加载-卸载方式,开展了轮胎侧倾接地试验,实时记录了轮胎受力与变形关系,采用压力敏感膜测量了轮胎侧倾接地时的接地区压力分布状况。结果表明,轮胎侧倾接地状况下的变形及接地区压力分布趋势的计算结果与试验测试结果一致。     

滚动轮胎侧倾接地性能有限元分析

建立子午线轮胎滚动分析的三维有限元模型,在模型中充分考虑轮胎材料和结构的复杂性,轮胎与轮辋过盈配合以及轮胎与轮辋、地面的接触摩擦等状况,研究轮胎侧倾滚动状态下的速度和外倾角对轮胎变形、接地区应力和帘线的应力分布规律的影响.     

一种新型安全车轮的非线性有限元分析

建立了新型安全车轮的几何模型,说明了车轮构成及基本原理。基于车轮的几何非线性、材料非线性及车轮与地面接触的非线性,建立了车轮的三维非线性有限元模型,用ANSYS软件的非线性分析技术对车轮进行了有限元分析。建模时充分考虑了橡胶材料的超弹性,材料模型采用Mooney-Rivlin橡胶材料。分析了车轮在静态接触、侧倾和侧偏受载3种工况下载荷与变形量的关系,并对车轮应力分布、轮胎接地印迹和接地压力进行了研究,为模拟与分析轮胎行驶性能和车轮的结构设计与优化提供了相关依据。     

实心轮胎滚动状态下与地面三维接触的有限元分析

考虑了轮胎的几何非线性、橡胶材料的非线性、橡胶物理体积的不可压缩性,建立了轮胎的三维有限元模型,分析了实心轮胎在滚动状态下的接触问题,考察了实心轮胎的变形、应力、应变、下沉量与载荷的关系.     

实心轮胎滚动状态下与地面的有限元分析

考虑了轮胎的几何非线性、橡胶材料的非线性、橡胶物理体积的不可压缩性，建立了轮胎的三譬有限元模型，分析了实心轮胎在滚动状态下的接触问题，考察了实心轮胎的变形、应力、应变、下沉量与载荷的关系。     

An Engineering Model for Three-Dimensional Elastic-Plastic Rolling Contact Analyses

Fatigue life of heavily loaded rolling bearings is strongly dependent on elastic-plastic material properties. For bearing steels these elastic-plastic properties can be accurately obtained by performing monotonic or half-compressive tests. A three-dimensional strain deformation analysis based on the incremental theory of plasticity and the use of Prandtl-Reuss relations in conjunction with the von Mises yield criterion was developed in order to evaluate the permanent deformation in dry contacts loaded above the elastic limit in case of normal loading. The Ramberg-Osgood stress-strain relation for two martensitically hardened variants of SAE 52100 bearing steel considered the nonlinear kinematic and/or isotropic material behavior. Parameters describing the influence of retained austenite are modeled by using a nonlinear isotropic law. Pressure distribution and contact surface displacements during incremental loading are evaluated by using a conjugate gradient method and the internal stress field is derived by using the superposition principle. Further, a fast analysis of smooth surfaces in elastic-plastic static and rolling contact is developed based on analytical relations for the internal stress field. Cyclic evaluation of plastic strains and residual stresses is carried out until shakedown. In order to verify the theoretical model, rolling contact tests under high normal load were performed. Residual stresses and residual profiles measurements show excellent agreement between numerical and measured cyclic values.     

An investigation of contact problem between strip and work roll with a smooth straight surface during cold rolling

Under the assumption of elastic roller, and the neglect of heat transfer problem, this paper explores the distribution of elastic deformation of the work roll with initially smooth straight surface in the rolling area during the rolling process, and analyzes the effect of this deformation distribution on the strip shape after rolling.

Based on the large deformation—large strain theory, the update Lagrangian formulation (ULF) and the incremental principle were used to develop 3D elastic-plastic analytical model of aluminum strip rolling. The flow stress was considered the function of strain and strain rate to infer the governing equation containing the effect of strain rate.

Besides, in this article, we propose an iteration procedure to calculate the contact force between strip and work roll, and the contact deformation of the work roll. In the treatment of the contact problem, the work roll was regarded as a rigid body at the beginning of each step. The incremental displacement and contact force of strip nodes were first calculated, and then entered into the first iteration loop. The contact forces of strip nodes were allocated to the work roll to calculate work-roll elastic deformation. The elastic deformation of work-roll nodes would be compensated to the incremental displacement of the strip nodes (the work-roll deformation increment was added on the incremental displacement of strip node). Then the new contact nodal forces were derived from the finite element program of strip. The above procedures were repeated to incorporate the new contact nodal forces into the first iteration loop to obtain the new strip node incremental displacement. An error range was also designated as the comparison standard to compare the displacement increments of the strip from two iterations to determine whether the iteration was completed.

This paper considers the initial shape of work roll is straight and smooth. The elastic deformation distribution on the work roll surface in the rolling area is analyzed to serve as the basis for work-roll radius compensation. Finally, deformation of strip shape is also discussed.