0 引言

随着汽车保有量及汽车种类的不断增加，汽车拥有者对汽车的各种性能要求也有了很大的提高，而对汽车的性能除了在汽车制造后上进行外，很多情况下是在汽车设计过程中进行分析的，本文利用ANSYS14.0对汽车充气轮胎与地面接触部分进行有限元分析，首先在ANSYS中构建轮胎实体模型和和轮胎内空气模型，并进行网格划分，创建流体静压单元，定义带控制点的接触对，主要为轮胎底面与路面的刚—柔接触。施加载荷后求解，利用流体静压单元研究出轮胎在滚动过程中轮胎内空气与轮胎之间的流体和固体之间的耦合变化情况[1]，得出不同时刻的位移图和等效应力云图。找出轮胎本体最大等效应力发生的地方。其分析结果对汽车轮胎、轮毂的设计提供了一定的理论依据。

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1 轮胎模型建立及网格划分

本文所分析的对象是轮胎和道路之间的接触，在有限元分析软件ANSYS14.0中首先直接建立轮胎本体模型，所建立的几何模型尺寸为：轮胎厚度为5 mm，内半径为85 mm，整个轮胎的内半径为335 mm。由于轮胎内的强化纤维为钢材料，假设轮胎内的空气为可压缩空气，使用HSFLD242单元模拟轮胎内的空气，因此选用PLANE183单元和SOLID186单元联合模拟轮胎。轮胎的弹性模量为6894.8 MPa、泊松比为0.5、密度为通过绕线轴扫描方式进行实体扫描。实体模型如图1所示。利用ANSYS14.0网格划分工具，首先进行总体网格划分，单元尺寸设置为50，通过单元拉伸方式进行，设置设置单元类型为SOLID185,每个片段拉伸单元数量为8，再将面单元拉伸成体单元。除此之外，还建立了流体静压单元。网格划分如图2所示。

图1 轮胎实体模型 Fig.1 tire entity model

图2 轮胎网格模型 Fig.2 tire mesh model

2 轮胎刚-柔接触对的建立

轮胎在运动的过程中模拟仿真需要建立两个接触对，一个是轮胎钢圈与轮胎的刚-柔接触对，第二个是轮胎底面与路面的刚-柔接触对。其中，第一种轮胎钢圈与轮胎的刚-柔接触对为通过控制节点来控制的轮胎运动，在建立时设置单元属性类型为5号TARGE170和4号CONTA174两个，节点数分别为5000和1026，节点类型为控制节点。通过选择轮胎内圈外侧的线及依附于选择线的节点来进行创建接触单元。第二种接触为轮胎底面与路面之间的刚-柔接触[2]，此接触对首先选取了8个节点，目标单元类型选择为7号TARGE170，接触单元类型为6号CONTA174,选择轮胎底面和依附于轮胎底面的节点来创建接触单元。创建好的接触对如图3所示。

直接用借代产生的汉语词,从词形或者字面意义来看,本身往往只表示人或事物的特定的个体,特定的行为动作,或者某种特征、属性、质料等,这也就是修辞上讲的借体;而其真正的词义则正好是这些属性或特征的主体或领有者,这也就是修辞上讲的本体。

3 动力学分析与载荷定义

3.1 轮胎应力-应变模型构建

图3 接触单元模型 Fig.3 contact element model

轮胎为橡胶材料，因此可看做轮胎的应力—应变符合双参数M00ney-Rivlin模型，其应变能势函数：

伤口换药是外科治疗的重要组成部分，换药质量是伤口良好愈合的关键，在临床工作中发现，外伤患者其伤口愈合情况与清创缝合术后首次换药时间有直接的关系。首次换药时间不同，患者表现出的疼痛感、敷料与伤口粘连程度、换药时所用的盐水棉球量及时间、新生肉芽组织损伤渗血、伤口周围红肿、伤口愈合情况等均有不同。为保护新生肉芽组织，减少痂皮损伤，促进伤口的愈合，我科于2009年10月—2011年10月对清创缝合术后需要换药的患者给予不同时间换药，观察伤口的愈合情况，现报道如下。

材料的初始体积模量：

μ=2(C10+C01)

材料的初始切变模量：

式中，d=(1-2v)/(C10+C01)。

除了自然因素、电磁干扰因素、元件自身因素等方面的影响因素外，相关作业人员的实际操作水平，同样对电气自动化设备的运行产生影响。虽然，电气自动化设备目前拥有着先进的技术，但是人工操作水平在一定程度上，还会影响着设备的正常运转。操作技术人员专业技术水平的高低，将会影响着设备运行效率的高低。当前，部分企业操作人员在实际的工作当中，缺乏对设备操作流程以及设备相关知识的掌握，专业操作技能缺乏，这些因素很可能会对设备的运行造成不利的影响，致使电气自动化设备损坏，给企业造成经济方面的损失。

计算中，C10=0.551584 MPa，C01=0.137896 MPa,d=0。

式中，W为应变能势函数；为第一应变偏量不变量；为第二应变偏量不变量；C10和C01为材料常数；d为材料不可压缩参数。

3.2 载荷定义

由于对轮胎进行的是瞬态动力学分析，因此首先要激活瞬态动力学分析，进行大变形设置，拾取节点后施加约束进行约束类型选择，定义载荷步，求解算法为瞬态求解(HHT)，幅值阻尼值设置为0.1，同时激活优化非线性算法，实现非线性求解控制，为了实现轮胎和底面之间的接触问题分析，采用基于接触状态的时间余册旋向，并且实现共享内存平行计算[3]。

4 轮胎动态求解及结果分析

为了实现对轮胎的载荷步求解，本文共分为五个部分，分别对第一、第二、第三、第四、第五载荷进行求解，其中，在对第一载荷进行求解时，在时间积分控制面板上关闭瞬态效应，施加Y方向的重力加速度为9810，同时施加轮胎内空气温度为20，载荷加在方式为斜坡加载；在求解第二个载荷时，把轮胎气压提高到0.2482128 MPa，加载方式也是斜坡加载方式；在进行第三个载荷求解时，首先将轮胎向下移动50 mm，约束类型为UY；第四个载荷求解载荷加载方式为斜坡加载，最大子歩数为100，最小子步数为1；第五个载荷求解时要激活瞬态效应，载荷加载方式为阶跃加载，中间残差准则为1E6，以便于考虑较大的增量，计算时间为5。

图4 1 s时刻的位移云图 Fig.4 displacement cloud diagram at 1 s

图5 2 s时刻的轮胎内空气的y方向位移云图 Fig.5 y-direction displacement cloud diagram of air in the tire at 2 s

图6 2 s时刻的轮胎等效应力 Fig.6 equivalent tire stress at 2 s

图7 4 s时刻的轮胎底面的接触压力云图 Fig.7 contact pressure cloud diagram of tire bottom at 4 s

在以上设置完成后，进行求解，求解得到的结果如图4—图7所示。图4-图7分别给出了轮胎不同时刻的位移云图，由图5可知充气后轮胎的径向膨胀了大约7 mm，由图6可知轮胎本体中最大等效应力发生在与轮毂接触的地方，因此强化纤维的最大等效应力发生处也是在与轮毂接触的地方。由图7可知，4 s时刻的轮胎最大接触压力为0.283 MPa。以上数据可以为轮胎的进一步优化设计提供一定的理论依据。

5 小结

通过在ANSYS14.0中建立轮胎与底面接触模型，进行接触对设定及约束，利用流体静压单元研究出轮胎在滚动过程中，首先在ANSYS中构建轮胎实体模型和和轮胎内空气模型，并进行网格划分，创建流体静压单元，定义带控制点的接触对，主要为轮胎底面与路面的刚—柔接触。施加载荷后求解，利用流体静压单元研究出轮胎在滚动过程中轮胎内空气与轮胎之间的流体和固体之间的耦合变化情况，得出不同时刻的位移图和等效应力云图。找出轮胎本体最大等效应力发生的地方。其分析结果对汽车轮胎、轮毂的优化设计提供了一定的理论依据。

参考文献

[1] 王强;.基于ANSYS的工程车辆翻新轮胎振动模态有限元分析[J].交通科技与经济，2018(5)：201-203.

[2] 杜慧.汽车轮胎的有限元分析[J].西华大学学报，2018(4)：25-28.

[3] 米伟; 姚银花. 基于有限元方法的轮胎滚动过程仿真分析[J].汽车实用技术， 2018(3)：81-83.