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第 4 期 　　　　　　　　　　朱文华等摘译 用显式有限元程序分析轮胎转向模拟 　　　　　　　　　　　　　 215 用显式有限元程序分析轮胎转向模拟 Kazuyukikabe 著 　朱文华 　刘 　锋摘译 　赵树高校 　　有限元方法已在轮胎工程中得到了广泛的 橡胶和帘线的材料非线性 ; 应用。因为轮胎是最复杂的非线性结构之一 , 复合材料结构 ; 所以大部分有限元方法的轮胎模拟是静态分 橡胶的粘弹性 ; 析。 轮胎使用中的滚动接触。 例如 ,子午线轮胎由平行于轮胎横断面的 当用有限元方法进行轮胎分析时 ,轮胎对 帘线胎体层、周向环绕轮胎的带束层和挺性胎 道路响应的分析应当考虑这些特性。 面胶构成。轮胎在一定条件下与路面滚动接 触。近来 ,为了精确预测轮胎的响应 , 已用显式 有限元程序进行瞬态分析研究。 在本篇文章中 ,首先阐述了轮胎有限元分 析的特性和轮胎分析的显式有限元程序。然 后 , 阐述了轮胎转向模拟的显式有限元程序的 潜能 ,评价轮胎有限元模型的稳定性。在这一 轮胎模型中 ,橡胶部件采用实体单元而纤维增 强橡胶部件用壳单元。橡胶材料具有超弹性材 料的性能 ,纤维增强橡胶被认为是复合材料模 型。将轿车轮胎的预测转弯侧向力与使用平带 式轮胎试验装置 (MTS FlatTrac Tire Test Sys tems) 测得的实验结果进行了对比。与应用显 式有限元方法相比 ,轮胎转向模拟的测试是很 费时的。 1 　轮胎的特性 轮胎的基本功能如下 : ( ) 1 承受负荷 ; (2) 传递牵引力、转向力和制动力 ; (3) 提供缓冲作用 ; (4) 提供路面抓着力。 除了以上4 种功能外 ,轮胎还需具有许多 其它性能 ,如 : 良好的驾驶响应、足够的里程、尺 图 1 　轮胎的特性 寸稳定、耗能低、噪声和振动小等。为满足这些 功能 ,轮胎形成了由橡胶和帘线构成的薄壁复 2 　轮胎分析的有限元方法 合材料环形壳结构 ,它具有高的柔韧性和相对 近来 , 已研究了显式有限元分析程序的瞬 不可伸张性。 态分析。为了计算滚动轮胎的动态响应 ,提出 这种轮胎的特性如下(如图 1 所示) : 了两种不同的分析方法。一种方法是隐式时间 大变形和大应变 ; 积分技术 :采用一定的动力学关系计算稳定状 橡胶的不可压缩性 ; 态下的滚动轮胎动态响应 ,如 Faria 提出了具有 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　轮 　胎 　工 　业 　　　　　　　　　　　　　　1999 年第 19 卷 216 摩擦阻力的滚动接触问题的稳定状态公式 ,可 冠部 ,这些单元包括 3 层 :胎体、第 1 带束层和 以进行自由滚动、转向、加速和制动分析。另一 第 2 带束层 ; 在胎侧部 ,这些单元由胎体层构 种方法是显式时间积分技术 ,如作为商业软件 成。这一模型有 5 580 个单元和 5 670 个节点。 的 为节省 ( ) LS/ DYNA3D 和 PAMSHOCK。Kamoulakos 和 CPU 时间 机时 ,采用这种有限元模型 Kao 研究了在有楔障的自由转鼓上的轮胎滚动 不能充分计算轮胎的详细响应 ,如应力和应变 的瞬态动力响应。