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輪胎作為汽車惟一的接地部件，是影響汽車操縱穩(wěn)定性、平順性、燃油經(jīng)濟性和振動等的關(guān)鍵因素，汽車的許多重要性能都與輪胎的動態(tài)特性有關(guān)。輪胎在結(jié)構(gòu)上滿足設(shè)計要求后，還需要與整車進(jìn)行匹配，如果底盤和輪胎具有同樣的振動特性，就會發(fā)生共振現(xiàn)象。因此必須從有限元分析輪胎固有頻率入手來確定輪胎的基本振型。傳統(tǒng)汽車振動理論模型常采用線性彈簧表征輪胎的振動特性，這種簡化嚴(yán)重降低了模型精度，不能滿足工程問題的需要。采用有限元法研究輪胎的振動特性是近年來輪胎研究的熱點，輪胎有限元分析對輪胎結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行較精確的描述，并且能描述輪胎的非線性特性及考慮輪胎與輪惘和輪胎與地面的接觸約束，具有較高的精度。
本工作以12.00R20規(guī)格全鋼載重子午線輪胎為例，運用ABAQUS軟件建立三維有限元模型，進(jìn)行模態(tài)分析，以得到輪胎的固有頻率和相應(yīng)的振型，并研究充氣壓力和負(fù)荷對輪胎固有頻率的影響。為了提高計算效率，對模型作以下簡化：
(1)忽略防擦線、標(biāo)志線等；
(2)忽略花紋的影響；
(3)忽略0}帶束層與第3帶束層的間隙；
(4)由于氣密層很薄，忽略其影響，將該層與勺襯層合并后整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
(5)考慮到胎肩墊膠和胎面基部膠用的是同一種材料，將這兩處合并后整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
目前定義簾線-橡膠復(fù)合材料有兩種方法，一種是采用復(fù)合材料模型，另一種是采用rebar模型。rebar單元可以分別定義簾線和橡膠材料，應(yīng)用有限變形理論，與實際的結(jié)構(gòu)模型相結(jié)合，可以得到簾線一橡膠復(fù)合材料在不同組分下的力學(xué)特性，因此得到廣泛應(yīng)用。
在ABAQUS中有兩種方法來定義rebar單元：一種是直接將rebar單元定義在橡膠實體單元內(nèi)；另一種是先將rebar單元定義在面單元上，再將面單元嵌入到相應(yīng)的橡膠實體單元內(nèi)。經(jīng)過反復(fù)摸索和試算，本研究采用后一種方法。橡膠基體和簾線的材料參數(shù)由試驗得到，應(yīng)用軟件對所測得的橡膠材料參數(shù)進(jìn)行曲線擬合，橡膠材料采用不可壓縮的Yeoh模型，鋼絲簾線采用線彈性模型。在模型中定義了鋼絲簾布的簾線角、簾線間距、單根鋼絲的截面積和鋼絲離面單元中面的距離。
用二維模型分析輪胎裝配和充氣工況，幾何條件和負(fù)荷條件是軸對稱的，而且簾線的鋪設(shè)形式也是軸對稱的，因此可以用平面軸對稱有限元模型來模擬!3]。由于受帶束層和加強層端部簾線的影響，輪胎會繞著旋轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)變形，因此針對四邊形單元和三角形單元分別采用CGAX4H和CGAX3H車由對稱單元來模擬。
本研究采用直接約束法，這種方法對接觸的模擬精度高，具有普遍適應(yīng)性。模擬時將輪惘和路面定義為解析剛體。使用有限滑移法模擬輪胎與輪綢和輪胎與路面之間的接觸。
以12.00R20規(guī)格全鋼載重子午線輪胎為原型，使用8.5I型標(biāo)準(zhǔn)平底輪惘，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力為840 kPa，單胎額定負(fù)荷為3750 kg。二維模型有單元1377個、節(jié)點1253個。將二維模型沿圓周方向旋轉(zhuǎn)360并劃分100等份構(gòu)成三維模型。
模型驗證的方式有很多種，目前的測試方法有測試輪胎與路面的接觸壓力和面積及輪胎充氣后的斷面寬等，本研究在下沉量-負(fù)荷試驗機上測試輪胎的下沉量一負(fù)荷曲線，該方法也是目前比較常用的驗證方法之一。
有限元分析和試驗結(jié)果，誤差在6%以內(nèi)，滿足工程問題的要求，因此可以利用此模型分析輪胎的力學(xué)性能。
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