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橡胶制品非线性有限元分析及结构优化
发布日期：2018-03-14 | 浏览：次
技术详情
一.项目成果简介
目前，CAD/CAE已经日益成为国内外橡胶企业从事产品研发不可缺少的手段和工具。轮胎和其它橡胶制品的辅助设计已经成为各公司和高校研究的热点。产品结构的有限元分析和最优化设计是实现产品性能提升和创新的必然途径。本项目是在通用大型非线性有限元分析软件的基础上，从事轮胎充气状态和稳态滚动状态，以及热力耦合等多物理场下的有限元分析，可对轮胎进行应力场.温度场分析，材料强度进行评判。应用该成果可为轮胎设计和其它橡胶制品设计提供可靠.准确的结构参数和性能预测，并可依据使用条件进一步优化产品结构，使其结构和材料实现最佳匹配，提高产品质量。另外，利用有限元分析技术还可对橡胶制品的硫化过程进行计算机仿真，得到硫化过程中的温度场分布，计算得到橡胶制品各部位的硫化程度，进而优化硫化工艺条件或指导调整橡胶配方设计，实现橡胶硫化和工艺条件的最佳匹配，充分发挥材料的性能，提高产品质量。
自2000年开始，课题组一直从事轮胎和其它橡胶制品的非线性有限元分析和结构优化，先后与多家橡胶企业和轮胎公司合作。产品分析案例包括轮胎(全钢子午胎.半钢子午胎.斜交巨型工程胎).空气弹簧.橡胶履带.橡胶减振件的动态.静态刚度分析，以及橡胶密封制品等的性能分析和结构优化。
二.项目背景
20世纪70年代以来，随着汽车工业的迅猛发展，轮胎工业也有了迅猛发展。各大轮胎公司.研究院所和高等院校投入了大量的人力和物力对子午线轮胎进行深入的有限元分析研究，以期进一步提高子午线轮胎的性能。
有限元分析，即使用有限元方法来分析静态或动态的物体或系统。在这种方法中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的.简单.独立的点组成的几何模型。在这种方法中这些独立的点的数量是有限的，因此被称为有限元。由实际的物理模型中推导出来得平衡方程式被使用到每个点上，由此产生了一个方程组，这个方程组可以用线性代数的方法来求解。有限元分析的精确度无法无限提高，元的数目到达一定高度后解的精确度不再提高，只有计算时间不断提高。
有限元分析可被用来分析比较复杂的。用一般的代数方法无法足够精确地分析的系统，它可以提供使用其它方法无法提供的结果。在实践中一般使用电脑来求解在分析时出现的巨量的方程组。
有限元分析通常借助计算机软件完成，著名工程软件有 MSC.NASTRAN，MSC MARC，ADINA，LS-DYNA，ANSYS， ABAQUS等。
子午线轮胎的材料和结构都比较复杂，又有非线性的特点，给轮胎有限元分析带来巨大的困难。轮胎的橡胶材料具有大变形和近似不可压缩的超弹性，帘线-橡胶复合材料实质上是由作为增强相的帘线在基体相橡胶中排列组成的刚柔相辅的复合材料，呈现明显的各向异性。对子午线轮胎而言，胎体帘线呈径向分布，带束层帘线斜向排列，通常将这种材料看作正交各向异性材料或各向异性材料。轮胎的大位移.小应变具有明显的非几何线性，轮胎与轮辋以及轮胎与地面接触非线性边界条件等都是轮胎有限元分析的难点。
项目立项的意义和必要性
轮胎作为一类几何形状复杂的复合材料结构体，在使用中要承受内压.离心载荷以及车辆刹车和转向时的惯性力.侧偏力和回正力矩等的作用；轮胎与轮辋.地面间的摩擦力以及周期性变化的非对称负荷。另外，轮胎具备典型的材料非线性.接触非线性以及大变形等复杂的力学特性，这给轮胎设计研究人员带来了极大困难。利用传统的薄膜网络理论推导出的计算公式显然无法预测轮胎在复杂使用状况下的受力。目前，乘用子午线轮胎在追求高速.舒适.安全.低噪声.低滚动阻力等方面提出了更高的要求，因而传统的设计方法已无法实现这些使用性能要求。人们不得不寻求先进.高效的设计分析方法，而有限单元法恰恰是解决复杂工程问题的最有效的数值方法。在上世纪70年代初，国外一些学者就开始借助于有限元法来分析建立轮胎的二维有限元模型，对轮胎的充气过程进行分析。进入80年代后，有限元技术在轮胎中的应用达到了一个新高度，国外一些著名的轮胎公司基于有限元分析的研究成果，纷纷提出了自己的设计理论，并指导轮胎的研究和开发。现在，有限元分析(finite element analysis, FEA)已经成为国外轮胎公司进行高性能轮胎开发不可缺少的重要环节，并且轮胎的分析模型更加复杂.真实，不但考虑轮胎的实际花纹，还将材料的黏弹性行为考虑到模型中，对轮胎滚动时的力场.温度场进行耦合分析，预测轮胎行驶过程中内部的温度分布.滚动阻力.热氧老化.疲劳寿命等。有限元分析技术在虚拟轮胎设计.虚拟轮胎试验.数字化轮胎方面起到举足轻重的作用。相信随着计算机多核时代的到来，计算速度和内存性能的大幅度提高，会促进并行计算在普通工作站上的应用，在轮胎复杂工况下的分析中发挥巨大作用，轮胎CAD/FEA必将会缩短我国轮胎行业的信息化和数字化轮胎的进程。
三.关键技术和创新点
课题组曾多次与国内多个大型轮胎公司进行过类似合作，借助非线性有限元分析手段对全钢载重子午线轮胎.半钢子午线轮胎.斜交巨型工程轮胎进行了分析，帮助企业解决了设计中存在的困难，优化了轮胎结构，取得了显著的经济效益。
多年来，课题组针对不同的轮胎形成了一套行之有效的策略，对轮胎分析中涉及的材料非线性.几何非线性和接触非线性采取了合理有效计算方法，解决了轮胎有限元分析的重点和难点问题。另外，不断借鉴国外先进的轮胎有限元分析技术，诸如：新的橡胶本构模型.加强筋单元.复合材料壳单元等。
1.技术原理与应用技术
采用国际上公认的非线性求解能力最好的大型有限元软件ABAQUS。另外，采用近年来国际上先进的单元形式－加强筋单元，可分别得到基体和钢丝帘线的受力和变形情况。
2.整体技术方案
1)通过试验获得橡胶.钢丝帘线的材料参数
2)建立轮胎的几何模型
3)建立轮胎的材料模型
4)确定有限元分析的计算参数
5)计算结果的后处理和分析
3.关键技术点及技术解决方案
1)橡胶.钢丝帘线的材料测试试验的方法确定和材料参数的准确获得
采用精度高的拉力测试设备和选用合理本构模型，建立全钢子午线轮胎的材料数据库。
2)轮胎非线性有限元模型的合理建立，针对不同轮胎的单元的合理运用。
根据经验合理建立几何模型，确定合理的计算参数，并合理简化计算模型。
四.社会经济效益
早期的轮胎生产完全凭经验进行，并无理论可言。最先提出的自然平衡轮廓理论就带有明显的想象和经验色彩。另一方面，轮胎结构设计理论的发展是与轮胎力学分析理论的发展息息相关的。随着轮胎力学分析理论从网络理论.薄膜理论.层合理论.薄壳理论发展到有限元分析理论，轮胎结构设计理论也从自然平衡轮廓理论.最佳滚动轮廓理论发展到动态模拟最佳轮廓理论以及第二代预应力和动平衡轮廓设计理论等十多种理论。
这些理论都是针对轮胎的某些特定功能或特定规格的轮胎进行改进而提出的，并没有“普适定律”。有些理论从严格意义上来说并不能称之为理论，应当称之为技术，只是某些公司出于宣传的需要，把它“上升”到理论的高度。这些理论的共同特点就是计算机技术和有限元法的共同运用，通过分析轮胎结构的力学性能，实现对轮胎整体结构的优化，并运用仿真的方式来进一步检验和优化，逐步达到满意的程度。
汽车工业的飞速发展为轮胎工业的发展提供了更大的推动力，也对其提出了更高的要求。而轮胎作为一种由多种材料复合而成的复杂结构，没有普适的理论或者经验公式直接用于指导其设计。因此，有限元理论必然将在轮胎分析设计中发挥越来越重要的作用，具有极大市场潜力和经济效益，为提升赛轮产品的设计手段.产品质量具有极大的意义。
五.成果推介模式
合作单位提供原始的橡胶制品结构和材料，以及产品性能指标，然后建立计算模型分析，提供分析报告和优化结果。
