汽车轮胎与地面接触的有限元分析Word格式文档下载.docx
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完成日期2017年6月15日答辩日期2016年6月23日
本科毕业设计（论文）学生诚信承诺保证书
本人郑重承诺：
《汽车轮胎与地面接触问题的有限元分析》毕业设计（论文）的内容真实、可靠，系本人在指导教师的指导下，独立完成。
如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担全部责任。
学生签名：
年月日
本科毕业设计（论文）指导教师诚信承诺保证书
我已按学校相关规定对同学的毕业设计（论文）的选题与内容进行了指导和审核，确认由该生独立完成。
如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担指导教师相关责任。
指导教师签名：
摘要
轮胎的接触问题对汽车安全有着至关重要的影响，对汽车轮胎与地面接触问题研究，有助于轮胎设计人员改进轮胎结构和材质，提升汽车安全性能。
本文系统地介绍了轮胎的具体构造、各个部位的功能与轮胎规格的国际标准表示法，提供了轮胎的各种失效形式。
采用数值模拟方法对轮胎与地面接触问题进行研究，考虑到轮胎实际结构的复杂性，简化轮胎模型，建立合适的轮胎有限元模型，利用接触对，模拟汽车轮胎与刚性目标面的接触，研究了汽车轮胎在垂直载荷作用下与路面的静态接触，分析了轮胎在垂直载荷作用下接触压力分布和轮胎与地面的接触变形。
同时，还模拟轮胎与路面的滚动接触，系统地分析了轮胎在与刚性路面的滚动接触过程中轮胎与路面间接触压力的分布情况以及轮胎的接触变形，以及不同充气压力和不同垂直载荷作用下轮胎的接触变形和接触压力。
通过轮胎静止状态施加垂直载荷的模拟分析，发现轮胎在垂直荷载作用下接触区域胎侧部位向外膨胀鼓出。
接触压力分布对称，接触面中心区域接触压力最大。
通过对轮胎滚动过程的模拟，发现接触压力横向分布对称，在胎面两侧出现峰值，向四周扩展开来，逐渐减小，径向分布不对称，轮胎压入面出现峰值。
在汽车轮胎充气气压相同的情况下，不同垂直载荷对轮胎造成的接触变形不同，负载为15000N时，轮胎下沉量为49.28mm，负载为5000N时，轮胎下沉量为0.704mm，负载越大，轮胎的变形情况越严重，轮胎与地面接触面积越大，接触压力横向分布曲线峰值点离胎面中心越远。
在相同垂直载荷作用下，不同充气气压对轮胎造成的接触变形不同，0.10Mpa充气气压下，轮胎下沉量为71.09mm，充气气压为0.30Mpa时，充气气压为13.97mm，充气气压越大，变形程度越小，轮胎与地面接触面积越小，接触压力分布越集中在接触面中心。
关键词:
汽车轮胎；
数值模拟；
垂直载荷；
充气气压；
接触压力；
接触变形
III
ABSTRACT
Tiregroundingproblemshaveacrucialimpactonthesafetyofautomobiles.Researchontheproblemofcontactbetweenautomobiletiresandgroundwillhelptiredesignersimprovetirestructureandmaterialandimprovevehiclesafetyperformance.Therefore,itisofgreatsignificancetostudythecontactstressandcontactdeformationofautomobiletiresinactualgroundingwork.
Thispapersystematicallydescribesthespecificstructureofthetire,thefunctionofeachsiteandthespecificparametersofthetireandtheperformanceoftheinternationalstandardrepresentation,meanwhileintroducesavarietyoftirefailureforms.Andthebasictheoryofcontact,aswellasthenonlinearfiniteelementmethodofcontactproblemisintroduced.Thenumericalsimulationmethodisusedtostudytheproblemoftireandgroundcontact.Consideringthecomplexityoftheactualstructureofthetireandsimplifyingthetiremodel,thefiniteelementmodelofthetireisestablished,andthecontactbetweenthetireandtherigidtargetsurfaceissimulatedbycontactThecontactofthetireundertheverticalloadisanalyzed.Thecontactstressdistributionofthetireundertheverticalloadandthecontactdeformationbetweenthetireandthegroundareanalyzed.Atthesametime,therollingcontactbetweenthetireandtheroadsurfaceissimulated,andthedistributionofthecontactstressbetweenthetireandtheroadsurfaceandthecontactdeformationofthetireduringtherollingcontactwiththerigidroadsurfacearesystematicallyanalyzed.
Throughthesimulationanalysisoftheverticalloadappliedtothetirequiescentstate,itisfoundthatthetiresofthecontactareaundertheverticalloadareoutwardlybulgingandbulging,andthetireareaisflattened.Contactstressdistributionsymmetry,contactsurfaceareaofthelargestcontactstress.Throughthesimulationofthetirerollingprocess,itisfoundthatthedeformationofthetireissimilartothatofthetireundertheverticalload.Thecontactstressissymmetricalinthelateraldirectionandspreadsonbothsidesofthetread,expandstothesurroundings,decreasesgradually,Radialdistributionisasymmetric.Inthecaseofthesametireairpressure,thecontactloadcausedbydifferentverticalloadsisdifferent.Whentheloadis15000N,thetiresinkingis49.328mm.Whentheloadis5000N,thetiresinkingis0.704mm,theloadisbigger,Thegreaterthedeformationofthetire,thegreatertheareaofcontactwiththeground,thegreaterthecontactstresstransversedistributioncurvepeakfromthetreadcenter.Underthesameverticalload,thecontactdeformationcausedbydifferentinflatableairpressureisdifferent,0.10Mpainflatablepressure,thetiresinkingamountof71.109mm,inflatablepressureof0.30Mpa,theinflatablepressureof13.997mm,thegreatertheinflatablepressure,Thesmallerthedegreeofdeformation,thesmallerthecontactareabetweenthetireandtheground,themoreconcentratedthecontactstressdistributioninthecenterofthecontactsurface.
KEYWORDS:
Cartires；
Numericalsimulation；
Verticalload；
Inflationpressure；
Contactpressure；
Contactdeformation
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 0
1绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2轮胎与地面接触问题研究现状 2
1.3论文主要研究内容 4
1.4技术路线图 5
2轮胎的构造和功能以及失效形式 6
2.1轮胎的规格 6
2.2轮胎的构造 7
2.3轮胎的失效形式 9
2.3.1局部磨损 9
2.3.2刺破及割裂 10
2.3.3裂纹及掉块 10
2.3.4帘线松散折断及帘布脱层 11
2.3.5爆胎 12
3接触问题基本理论 13
4轮胎与路面接触分析的有限元方法 17
4.1基本方程 17
4.2有限元方法的基本概念及原理 17
4.2.1有限元法基本概念 17
4.2.1有限元空间离散模型 18
4.2.2轮胎与地面接触问题的非线性 19
4.2.3非线性方程求解 21
4.3接触算法 22
5基于ANSYS的汽车轮胎接地问题分析 24
5.1ANSYS软件简介及接触分析步骤 24
5.1.1ANSYS软件简介 24
5.1.2接触分析步骤 24
5.2计算条件 25
5.2.1几何条件 25
5.2.2材料参数 27
5.2.3载荷和计算工况 28
5.3计算结果分析 30
5.3.1静止时垂直载荷作用下轮胎接触分析 30
5.3.2滚动时垂直载荷作用下轮胎的接触分析 33
5.3.3不同垂直载荷作用下轮胎的接触变形分析 38
5.3.4不同垂直载荷作用下轮胎的接触压力分析 41
5.3.5不同充气气压作用下轮胎的接触变形分析 44
5.3.6不同充气气压作用下轮胎的接触压力分析 47
6结论 51
参考文献 52
致谢 54
附录A 55
附录B 67
1绪论
1.1研究背景及意义
随着国民经济水平的提高，越来越多的人选择购买汽车代步，导致了我国汽车工业的高速发展，作为汽车工业的重要组成部分，轮胎制造业也随之发展迅猛。
但随着国际市场竞争的日益激烈，我国也开始调整轮胎产品结构[1]，鼓励高性能、高品质轮胎的开发和生产，以不断扩大我国产品在世界轮胎市场上的份额。
为此必须深入研究轮胎的实际工况，对其进行优化设计，来减少成本，节省资源，并提高国产轮胎的使用性能，因此对轮胎与地面接触问题进行研究不仅具有十分大的经济意义并且对整个国家经济和汽车工业结构的发展也具有重要的战略意义。
在以往的交通事故中，由于轮胎而造成的危害损失，几乎占到了一半。
汽车轮胎现已是社会公认的安全性产品。
汽车轮胎并不象一般人所想的那样，只不过是一个简单的“黑色轮子”。
实际上，它所起的综合作用，是其它任何部件所不能比的。
轮胎安装在轮辋上，直接与路面接触，其作用是：
支撑整车质量；
缓冲由路面传来的振动和冲击；
通过轮胎与地面的附着力来传递驱动力和制动力；
产生横向力控制车辆的转向行驶；
翻越障碍，提高爬坡能力。
接地区承担着各种驾驶行为（加速、拐弯、刹车等）各种路面条件（干、湿、冰等）下轮胎与地面之间的载荷转换[2]。
经科学研究表明，轮胎在汽车高速行驶过程中，与地面的接触部分因为荷重而使周边产生变形，旋转离开地面时，弯曲部分来不及恢复原状，这时轮胎部分会产生波形变形，表现在轮胎与接地部位后半圈附近，俗称“驻波”[3]。
在这种状态下，驻波的这部分轮胎橡胶材料内部发生剧烈的摩擦而急剧升温，不久就引起胎面橡胶从内部胎体剥落的现象，进而轮胎发生爆胎，车辆失去支撑而发生翻车事故[4]。
而今在发达国家，由于子午胎的普及以及质量的提高，虽然爆胎现已降到百分之几的PPM[5]级安全水准，但由于车祸现象的严重程度，轮胎的质量安全依旧放在生产使用的第一位。
轮胎与地面的接触问题对汽车安全有着至关重要的影响，因此轮胎的接触问题[6]便成为轮胎研究工作乃至汽车安全设计的一个重点。
对汽车轮胎与地面接触问题进行有限元分析的研究[7]，有助于轮胎设计人员改进轮胎结构、改善轮胎材质等，使轮胎满足安全功能的要求[8]。
本文在做以上综合考虑后，结合轮胎的实际结构，利用数值模拟方法，对轮胎与地面的接触问题进行了详细讨论，对轮胎结构的设计和轮胎材质的选择提出合理建议。
1.2轮胎与地面接触问题研究现状
目前，国内外对轮胎与路面接触问题的研究主要通过两种途径:
一是试验法[9]，就是利用力感器等测量仪器，来测出轮胎与路面接触区域的压力分布，但是这种方法局限性较大，受人或者环境影响较大，测量误差较大，而且，一般而言，接触区域分布的压力传感器数量越多，排列越密集，这时的测量结果的越有可信度，但是装配和测量的难度也会越大，成本会越高；
二是数值模拟，此时要考虑到轮胎的非线性特点[10]，利用固体力学、数值计算方法及有限元理论等相关方法来建立轮胎与路面接触的有限元模型，同时借助于有限元软件求解接触区域的压力。
由于充气轮胎[11]结构非常复杂，导致在正常工作状态下轮胎受力非常复杂，所以在建立模型时，需要作出相应的假设和简化，因此所建立的模型越真实，那么计算结果就会更加准确，就会更符合实际。
前面所述的两种方法是相辅相成的，众所周知，现在有限元模拟方法己成为主流，但是还是需要通过实验来进行校核的。
北京化工大学的刘肖英[12]为了验证ABAQUS有限元软件在轮胎力学性能分析上应用的可行性，首先对165/75R13、185/65R14两种规格的下沉量、纵向刚度、径向刚度、横向刚度和接地印痕等力学性能参数，采用模拟和实验的方法进行对比分析，结果表明模拟数据与实验数据平均误差约为5%，验证了利用ABAQUS软件对轮胎性能进行有限元分析结果的准确可靠性。
计算工具的发展，人们越来越多的采用数值模拟的方法来研究轮胎的非线性问题，赵树高等[13]根据子午线轮胎的实际结构，考虑了轮胎的材料结构非线性、几何非线性、复合材料各向异性以及橡胶材料本身的弹性等特性，运用MARC有限元通用程序，建立轮胎模型，分析了子午线轮胎静态下与地面的接触问题，考察了不同下沉量、内压及静摩擦因数等因素对轮胎静态接地面内应力应变场的影响。
刘娜[14]以轿车子午线轮胎195/60R14作为研究对象，以大型有限元分析软件MSC.Dyrtan为平台，采用拉格朗日有限元计算法用来求解固体模型，欧拉有限体积法来求解流体模型，一般耦合算法处理两者之间的相互作用，建立了轮胎-水膜-路面三维有限元模型。
针对不同胎面花纹的轮胎，深入系统的研究了轮胎在水滑路面上的胎体变形和接触压力的状态；
华南理工大学的王长建[15]建立了复杂花纹的半钢子午线轮胎滑水有限元模型。
轮胎的变形和运动使用拉格朗日法来模拟，橡胶材料采用YEOH超弹性材料近似，利用加强筋单元模拟橡胶-帘线复合材料。
同时，运用欧拉法模拟了水流运动，水流的自由表面追踪采用分块线性插值来实现，质量守恒方程的处理则采用SIMPLE方法。
接着，利用轮胎滑水模型对一款复杂花纹的轮胎进行滑水现象仿真分析，分析发现当轮胎在湿路面行驶时，轮胎接地面积、轮胎与地面间法向接触力都随车速的增加而降低；
水流动压力与车速的平方成正比。
最后，仿真分析了不同胎面结构、胎面材料和水膜厚度对轮胎滑水性能的影响；
伦佳琪[16]在国内外研究成果基础上将轮胎模型分为胎面、帘布层、钢圈三部分，并对其各部分材料、单元进行定义，交互使用ANSYS经典界面和workbench界面进行轮胎与土壤静态接触相互作用的仿真分析，使用刚性路面上轮胎变形试验对轮胎模型的正确性进行验证，用所做轮胎在已耕地上的轮胎沉陷试验进行轮胎一土壤接触模型的验证和修正。
由轮胎一土壤相互作用的静态仿真分析了轮胎和土壤变形规律，并结合试验分析轮胎对土壤压实效应的影响；
付晶[17]在摩擦磨损试验机上进行了轮胎橡胶摩擦特性试验，研究了摩擦系数随压力和滑移速度的变化规律，提出考虑压力和速度影响的摩擦模型，通过ABAQUS软件编写摩擦模型子程序，并建立再现橡胶摩擦特性试验过程的有限元分析模型，仿真分析了不同压力和滑移速度下的摩擦力矩，并与试验结果比对，验证了所提摩擦模型的有效性。
在国际上，S．G．Zuo[18]等也在三维非线性有限元分析的基础上，结合正交试验设计、支持向量机和多目标进化算法等技术，建立一套数值优化方法，对子午线轮胎结构进行优化，使轮胎磨损性能得到改善；
Pranoto[19]通过数值模拟来研究轮胎对路面的接触压力。
采用ABAQUS软件，基于有限元法。
为了使数据分析过程更容易，假定轮胎由天然橡胶制成，其组成由2层内胎和1层胎体组成。
在前期条件下，轮胎的空气压力为17psi，载荷依次为2KN，6KN和10KN，然后，获得每个负载条件下应力分布和变形的模拟结果。
模拟结果表明，轮胎在车辆上承载的载荷是决定轮胎轮廓的重要因素。
B．Casey等[20]在CAPA-3D中创建了3层薄路面结构的有限元网格，这是针对3个充气压力和3个轮胎负载完成的，很符合轮胎与路面接触的实际状况。
先进的接触压力装置与有限元工具（例如ANSYS）一起使用，获得比传统分析设计的更准确的结果。
在Bekakos[21]研究中，使用有限元法分析气动235/75R17轮胎与刚性和或可变形的滚动面之间的动态相互作用。
在对轮胎进行足迹分析后，开发了两种模型：
一是在具有凸起的刚性路面上轮胎滚动，二是在软土层表面上轮胎滚动，适用于越野车；
Ozaki[22]等利用有限元法进行了可接受的摩擦相互作用模型，以合理地检验轮胎与地面之间的各向异性摩擦相互作用行为。
然后进行单轮胎行驶性能的有限元分析，包括一定的滑动和侧滑（滑动），以检查各向异性摩擦相互作用对牵引杆和侧力的数值结果的影响。
从以上研究人员的工作可以看出，有限元法是一种高效能、常用的计算方法，有限元分析是工程技术领域进行科学计算的极为重要的方法之一，利用有限元分析可以获得几乎任意复杂工程结构的各种性能信息，还可以直接就工程设计进行评判，对各种工程事故进行技术分析[23]，应用有限元计算仿真的方法进行轮胎与地面接触问题的非线性研究是一种行之有效的方法，尤其近年来，轮胎与路面接触问题己经成为轮胎工作者和道路工作者研究工作的一个重点。
1.3论文主要研究内容
对于汽车轮胎与地面接触问题，有限单元法是一种非常行之有效方法。
本文应用大型线性有限元软件对汽车轮胎进行有限元分析。
在建立模型的过程中考虑轮胎的几何非线性、材料非线性以及与路面接触非线性等因素建立轮胎的有限元模型，模拟轮胎在垂直荷载作用下与路面的接触过程，分析轮胎在垂直载荷作用下的接触压力分布和接触变形，然后模拟轮胎在垂直载荷的作用下稳态滚动的过程，分析轮胎的接触压力分布和接触变形，以及不同充气气压、不同垂直载荷作用下轮胎的接触压力分布和接触变形。
本文将从以下几个方面开始研究：
（1）简述汽车轮胎与地面接触问题有限元分析的选题目的和意义、国内外研究现状以及主要研究内容。
（2）轮胎的规格以及各个符号所表示的意义，轮胎的构造和各部位功能，轮胎的失效形式。
（3）基于弹性力学假设的接触应力基本理论。
（4）轮胎与路面接触分析的非线性有限元计算方法，轮胎结构的材料的非线性、几何非线性和接触非线性。
（5）工程实例分析，依据轮胎的实际结构，考虑轮胎结构的复杂性，简化轮胎模型，建立了轮胎与地面接触的有限元模型。
利用数值分析软件分析轮胎在垂直载荷作用下的接触变形和接触压力与滚动过程中轮胎的接触变形和接触压力。
运算结果可得到接触状态下轮胎模型的变形状况、接触压力分布等。
同时还分析了不同充气气压和不同垂直载荷作用下轮胎的接触变形和接触压力分布情况。
（6）论文的主要结论。
1.4技术路线图
查阅文献,了解相关课题的国内外研究现状,确定研究方向和内容
轮胎的规格、轮胎的构造和各部位的功能以及轮胎的失效形式
接触问题的基本理论
接触问题的非线性有限元理论
建立汽车轮胎的有限元模型以及轮胎与路面的接触模型
工程实例分析
不同充气气压作用下的分析
不同垂直载荷作用下的分析
垂直载荷作用下轮胎滚动分析
垂直载荷作用下轮胎静止状态分析
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