轮胎接地印迹的多步静态加载计算方法技术

本发明专利技术涉及一种轮胎接地印迹的多步静态加载计算方法，属于轮胎结构设计领域。先对轮胎进行充气分析，后给定压深值搜索接触节点，对接触点施加强制位移求解接地印迹，通过多次改变压深值修正接触区域的强制位移边界条件，直至接触点竖直方向的约束反力总和与轮胎实际接触时的外载荷平衡。优点在于：原理简单，实施方便；相比于已有的接地印迹求解方法，本方法无需建立复杂的接触对，不需要考虑接触非线性问题，只需通过多次改变压深值修正接触区域的强制位移边界条件，进行有限元分析，即可求解得到轮胎的接地印迹形状及接触压强云图。解得到轮胎的接地印迹形状及接触压强云图。解得到轮胎的接地印迹形状及接触压强云图。

【技术实现步骤摘要】
轮胎接地印迹的多步静态加载计算方法


[0001]本专利技术涉及轮胎结构设计领域，尤其涉及一种轮胎接地印迹的多步静态加载计算方法。

技术介绍

[0002]轮胎与地面的接触是复杂的力学现象，同时也是轮胎损伤直至失效和破坏的重要原因。传统的轮胎接地印迹计算一般是通过有限元方法求解的，需要采用非线性有限元方法处理材料、几何、接触非线性问题，分析流程复杂。
[0003]轮胎接触问题属于边界非线性问题，是最困难的非线性问题之一，其原因是由于接触边界是未知的，同时加载过程中接触边界是时刻变化的，也就是说，轮胎接触过程中发生的位移和接触力都是未知的，极大的增加了求解的难度。在进行有限元分析时必须实时识别轮胎边界上的点是否与地面接触，如果是接触，必须计算出相应的接触力。由于边界点的接触力会影响相邻点的变形，所以这个过程需要重复计算，直至找到轮胎上所有可能接触的点的正确状态。一般商业软件求解轮胎接地印迹时，是通过对轮辋施加固定约束，给地面施加载荷的方法等效轮胎的实际接触过程，都需要建立复杂的接触对进行求解，计算过程中需要反复搜索接触节点，不容易获得收敛解。由于轮胎主要的组成部分是帘线橡胶复合材料，还需要考虑材料非线性和几何非线性问题，进一步增加了求解轮胎接地印迹的难度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种轮胎接地印迹的多步静态加载计算方法，解决了现有技术存在的上述问题。本专利技术对轮辋施加固定约束，通过多次改变压深值修正接触区域的强制位移边界条件，直至接触点竖直方向的约束反力总和与轮胎实际接触时的外载荷平衡。本专利技术不需要考虑复杂的接触非线性，简单且易于实现。
[0005]本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
[0006]轮胎接地印迹的多步静态加载计算方法，包括如下步骤：
[0007](1)建立轮胎有限元模型并进行充气分析，计算充气之后轮胎外表面节点的坐标值；
[0008](2)给定压深搜索接触点，定义强制位移边界条件，在充气分析基础上进行静态有限元分析，计算接触点约束反力；
[0009](3)删除竖直方向约束反力为负的点的强制位移约束，重新进行有限元计算，直至所有接触点竖直方向的约束反力全为正；
[0010](4)采用二分法改变压深值，直至接触点竖直方向的约束反力总和等于实际接触中轮胎受到的外载荷；
[0011](5)根据约束节点竖直方向约束反力计算接触压强，获得接触压强云图。
[0012]步骤(2)中，给定压深及轮胎充气之后外表面节点的坐标值搜索接触点，得出轮胎
接触点坐标范围在充气轮胎最低点坐标到最低点坐标加上压深值之间，定义强制位移边界条件，强制位移的大小为轮胎最低点坐标加上压深值减去接触节点竖直方向坐标值；然后在充气分析基础上进行静态有限元分析，计算接触点约束反力。
[0013]步骤(4)中，采用二分法多次改变压深值修正接触区域的强制位移边界条件，直至接触点竖直方向的约束反力总和等于实际接触中轮胎受到的外载荷，达到求解接地印迹的目的。
[0014]步骤(4)中，根据接触点约束反力总和与压深的线性关系，只需根据两个压深值求解得到对应的约束反力总和，即可拟合得到接触点约束反力总和与压深的线性关系表达式；根据线性关系表达式，代入目标外载荷大小，可以迅速缩小二分法的搜索区间，达到加速求解的目的。
[0015]本专利技术的有益效果在于：为求解轮胎的接地印迹提供了一种有效的计算方法，原理简单，实施方便；相比于已有的接地印迹求解方法，本方法无需建立复杂的接触对，不需要考虑接触非线性问题，只需通过多次改变压深值修正接触区域的强制位移边界条件，进行有限元分析，即可求解得到轮胎的接地印迹形状及接触压强云图，能极大的改善求解接地印迹的收敛性问题。
附图说明
[0016]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0017]图1为本专利技术的多步静态加载计算流程图；
[0018]图2为本专利技术的轮胎与地面几何关系示意图；
[0019]图3为本专利技术的轮胎接触分析示意图；
[0020]图4为本专利技术的轮胎有限元模型图；
[0021]图5为本专利技术的轮胎结构断面图；
[0022]图6为本专利技术的收敛曲线图；
[0023]图7为本专利技术压深与接触点约束反力总和的变化曲线；
[0024]图8为本专利技术轮胎接触反力的云图对比；
[0025]图9为本专利技术轮胎接触压强的云图对比。
具体实施方式
[0026]下面结合附图进一步说明本专利技术的详细内容及其具体实施方式。
[0027]参见图1至图9所示，本专利技术的轮胎接地印迹的多步静态加载计算方法，先对轮胎进行充气分析，后给定压深搜索接触节点，对接触点施加强制位移求解接地印迹，通过多次改变压深值修正接触区域的强制位移边界条件，直至接触点竖直方向的约束反力总和与轮胎实际接触时的外载荷平衡。当轮心受到竖直向下的外载荷时，轮胎与地面接触后轮胎发生变形。为求解接地印迹，多步静态加载计算方法包括如下步骤：
[0028](1)建立轮胎有限元模型并进行充气分析，计算充气之后轮胎外表面节点的坐标值。
[0029]首先建立轮胎的有限元模型，对轮辋部分施加固定约束，轮胎内部施加压力，进行
轮胎的充气分析，计算轮胎充气之后外表面节点的坐标值。
[0030](2)给定压深搜索接触点，定义强制位移边界条件，在充气分析基础上进行静态有限元分析，计算接触点约束反力。
[0031]轮胎实际接触过程中，将轮心因受外载荷而下移的距离定义为压深。假定轮心下移的方向为z轴的负方向(与轮胎模型坐标系相关)，多步静态加载法只需给定压深值，结合轮胎充气之后外表面节点的坐标值以及轮胎接地时的几何关系，即可得出轮胎外表面接触节点z方向的坐标在
‑
R～(
‑
R+d)之间，得出接触区域节点集合，其中R为轮胎半径，d为压深，轮胎与地面几何关系示意图如图2所示。根据坐标关系，可得出每个接触节点需要施加的强制位移大小为u
z
＝
‑
(R
‑
d)
‑
z，其中z为接触节点的z坐标。得出接触节点所需施加的强制位移大小以后即可定义强制位移边界条件进行有限元分析。
[0032]轮胎接地印迹分析是在充气分析的基础之上进行，因此需要读取充气分析的结果，对于超弹性近似不可压缩橡胶材料，除了位移结果以外，还需要得到充气分析步中最后一个增量步的静水压力以及体积改变率。
[0033](3)删除竖直方向约束反力为负的点的强制位移约束，重新进行有限元计算，直至所有接触点竖直方向的约束反力全为正。
[0034]给轮胎模型施加相应的强制位移边界条件以后，在充气分析基础上进行静态有限元分析，由于在实际接触过程中，轮胎胎面中心部分会出现微小的凹陷，所以首先要保证施加强制位移本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轮胎接地印迹的多步静态加载计算方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）建立轮胎有限元模型并进行充气分析，计算充气之后轮胎外表面节点的坐标值；（2）给定压深搜索接触点，定义强制位移边界条件，在充气分析基础上进行静态有限元分析，计算接触点约束反力；（3）删除竖直方向约束反力为负的点的强制位移约束，重新进行有限元计算，直至所有接触点竖直方向的约束反力全为正；（4）采用二分法改变压深值，直至接触点竖直方向的约束反力总和等于实际接触中轮胎受到的外载荷；（5）根据约束节点竖直方向约束反力计算接触压强，获得接触压强云图。2.根据权利要求1所述的轮胎接地印迹的多步静态加载计算方法，其特征在于：步骤（2）中，给定压深及轮胎充气之后外表面节点的坐标值搜索接触点，得出轮胎接触点坐标范围在充气轮胎最低点坐标到最低点坐标加上压...

【专利技术属性】
技术研发人员：左文杰，郭会强，张然，白建涛，王斌，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：