剪切带微观结构的设计方法、微观结构、剪切带及轮胎技术

本公开涉及剪切带微观结构的设计方法、微观结构、剪切带及轮胎，该方法包括：定义设计区域和确定设计变量；设计区域为剪切带微观结构的最小周期单元；设计变量为设计区域中的填充材料；构建设计区域的材料矩阵，确定目标函数；对设计区域进行有限元分析，计算等效弹性模量；基于等效弹性模量，计算设计区域中每个网格的灵敏度；基于灵敏度，更新设计变量；计算更新设计变量后的目标函数的目标值，判断目标值是否满足收敛条件；满足收敛条件时，将设计区域作为剪切带微观结构输出；不满足收敛条件时，返回执行对设计区域进行有限元分析，计算设计区域的等效弹性模量的步骤。该方法获得的剪切带微观结构应用于剪切带，可提高非充气轮胎的承载能力。胎的承载能力。胎的承载能力。

【技术实现步骤摘要】
剪切带微观结构的设计方法、微观结构、剪切带及轮胎


[0001]本公开涉及非充气轮胎
，尤其涉及一种剪切带微观结构的设计方法、微观结构、剪切带及轮胎。

技术介绍

[0002]轮胎是车辆的重要部件之一，是车辆连接路面的唯一部分，起到支撑车辆、缓冲冲击、传递驱动力、传递制动力、提供乘坐舒适性并保证车辆行驶的平稳性的作用。车辆行驶过程中的安全性能与轮胎的安全性密切相关。传统的充气轮胎由于自身结构的限制，无法解决爆胎问题，所以轮胎的安全性能无法得到有效的提高。与充气轮胎相比，非充气轮胎具有免充气、防爆、安全、耐用、低滚阻、经济、易加工成型等优点；由于不需要充气，非充气轮胎不存在爆胎等问题，提高了车辆的行驶安全性，具有广阔的市场和发展前景。
[0003]相关技术中，典型的非充气轮胎结构包括辐条式非充气轮胎、蜂巢式非充气轮胎和弹簧式非充气轮胎等，其主要结构包括橡胶胎面、韧性支撑结构、刚性轮辋和环形剪切带。为了增强非充气轮胎的承载能力，剪切带通常采用“三明治”结构，即剪切带由一个弹性剪切层和两个贴附于弹性剪切层径向内外的隔片组成；虽然“三明治”剪切带结构使得非充气轮胎的承载能力有所增强，但由于轮胎的承载能力较小，仅应用于工程车辆及割草机等低速场景，限制了轮胎的应用场景。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本公开提供了一种剪切带微观结构的设计方法、微观结构、剪切带及轮胎。
[0005]第一方面，本公开提供了一种剪切带微观结构的设计方法，包括：
[0006]定义设计区域和确定设计变量；其中，所述设计区域是指剪切带微观结构的最小周期单元，所述设计区域包括N个网格，N为正整数；所述设计变量为所述设计区域中的填充材料；
[0007]构建所述设计区域的材料矩阵，确定所述设计区域的目标函数；
[0008]对所述设计区域进行有限元分析，计算所述设计区域的等效弹性模量；
[0009]基于所述设计区域的等效弹性模量，计算所述设计区域中每个网格的灵敏度；
[0010]基于所述灵敏度，更新所述设计变量；
[0011]计算更新设计变量后的所述目标函数的目标值，判断所述目标值是否满足收敛条件；
[0012]在满足所述收敛条件时，将所述设计区域作为剪切带微观结构输出；以及在不满足所述收敛条件时，返回执行所述对所述设计区域进行有限元分析，计算所述设计区域的等效弹性模量的步骤。
[0013]可选地，所述设计区域中的填充材料包括第一材料或第二材料；填充材料为第一材料时，所述设计变量为Ce＝1；填充材料为第二材料时，所述设计变量为Ce＝0；所述设计
变量初始值为所述设计区域全部填充所述第一材料；其中，e为1～N的正整数。
[0014]可选地，所述确定所述设计区域的目标函数，包括：所述目标函数为极大化函数，采用如下公式计算所述目标函数：
[0015][0016]其中，F(x)为目标函数；和为所述设计区域的抗拉模量；为所述设计区域的剪切模量；w1为抗拉模量的权重系数；w2为剪切模量的权重系数。
[0017]可选地，所述对所述设计区域进行有限元分析，计算所述设计区域的等效弹性模量，包括：
[0018]采用如下公式计算所述设计区域的等效弹性模量：
[0019][0020]Ku＝∫
Y
B
T
EdY；
[0021][0022]其中，为所述设计区域的等效弹性模量；H表示均匀化；i、j、k和l为等效弹性模量的脚标，表示其在设计区域中的区域位置，i、j、k和l均为正整数；Y为所述设计区域的面积，I为3
×
3的单位矩阵；B为所述设计区域的应变矩阵；B
T
表示应变矩阵的转置矩阵；u为所述设计区域的内部位移场；K为所述设计区域的刚度矩阵；p1为惩罚因子；E
e，ijkl
为第e个网格的弹性模量；表示第e个网格填充材料为第一材料的弹性模量；表示第e个网格填充材料为第二材料的弹性模量；e为1～N的正整数。
[0023]可选地，所述基于所述设计区域的等效弹性模量，计算所述设计区域中每个网格的灵敏度，包括：
[0024]采用如下公式计算所述灵敏度：
[0025][0026]其中，和为所述设计区域的抗拉模量；为所述设计区域的剪切模量；w1为抗拉模量的权重系数；w2为剪切模量的权重系数；Ce为设计变量，取值为0或1，e为1～N的正整数。
[0027]可选地，所述基于所述灵敏度，更新设计变量，包括：
[0028]基于所述灵敏度，将灵敏度满足预设更新条件的网格的填充材料由所述第一材料替换为所述第二材料。
[0029]可选地，在所述计算更新设计变量后的所述目标函数的目标值，判断所述目标值是否满足收敛条件之前，还包括：
[0030]计算更新设计变量后的所述第一材料的体积分数，判断所述第一材料的体积分数是否满足所述目标函数的约束条件；
[0031]所述目标函数的约束条件为：V1＝V
*
；
[0032]在满足所述约束条件时，执行所述计算更新设计变量后的所述目标函数的目标值，判断所述目标值是否满足收敛条件；以及，
[0033]在不满足所述约束条件时，返回执行所述对所述设计区域进行有限元分析，计算所述设计区域的等效弹性模量的步骤；
[0034]其中，V1为所述设计区域中所述第一材料的体积分数；V
*
为所述设计区域中所述第一材料的体积分数约束值。
[0035]可选地，所述收敛条件包括：所述目标函数的目标值满足预设精度要求。
[0036]第二方面，本公开还提供了一种剪切带微观结构，采用上述任一种所述的设计方法形成。
[0037]第三方面，本公开还提供了一种剪切带，包括周期性排布的上述剪切带微观结构。
[0038]第四方面，本公开还提供了一种非充气轮胎，包括：上述剪切带。
[0039]本公开提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
[0040]本公开提供的一种剪切带微观结构的设计方法、微观结构、剪切带及轮胎，该设计方法包括：定义设计区域和确定设计变量；其中，设计区域是指剪切带微观结构的最小周期单元，设计区域包括N个网格，N为正整数；设计变量为设计区域中的填充材料；构建设计区域的材料矩阵，确定设计区域的目标函数；对设计区域进行有限元分析，计算设计区域的等效弹性模量；基于设计区域的等效弹性模量，计算设计区域中每个网格的灵敏度；基于灵敏度，更新设计变量；计算更新设计变量后的目标函数的目标值，判断目标值是否满足收敛条件；在满足收敛条件时，将设计区域作为剪切带微观结构输出；以及在不满足收敛条件时，返回执行对设计区域进行有限元分析，计算设计区域的等效弹性模量的步骤。由此，将该方法获得的剪切带微观结构应用于剪切带，可提高非充气轮胎的承载能力。
附图说明
[0041]此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种剪切带微观结构的设计方法，其特征在于，包括：定义设计区域和确定设计变量；其中，所述设计区域为剪切带微观结构的最小周期单元，所述设计区域包括N个网格，N为正整数；所述设计变量为所述设计区域中的填充材料；构建所述设计区域的材料矩阵，确定所述设计区域的目标函数；对所述设计区域进行有限元分析，计算所述设计区域的等效弹性模量；基于所述设计区域的等效弹性模量，计算所述设计区域中每个网格的灵敏度；基于所述灵敏度，更新所述设计变量；计算更新设计变量后的所述目标函数的目标值，判断所述目标值是否满足收敛条件；在满足所述收敛条件时，将所述设计区域作为剪切带微观结构输出；以及在不满足所述收敛条件时，返回执行所述对所述设计区域进行有限元分析，计算所述设计区域的等效弹性模量的步骤。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设计区域中的填充材料包括第一材料或第二材料；填充材料为第一材料时，所述设计变量为Ce＝1；填充材料为第二材料时，所述设计变量为Ce＝0；所述设计变量初始值为所述设计区域全部填充所述第一材料；其中，e为1～N的正整数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定所述设计区域的目标函数，包括：所述目标函数为极大化函数，采用如下公式计算所述目标函数：其中，F(x)为目标函数；和为所述设计区域的抗拉模量；为所述设计区域的剪切模量；w1为抗拉模量的权重系数；w2为剪切模量的权重系数。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述设计区域进行有限元分析，计算所述设计区域的等效弹性模量，包括：采用如下公式计算所述设计区域的等效弹性模量：Ku＝∫
Y
B
T
EdY；其中，为所述设计区域的等效弹性模量；H表示均匀化；i、j、k和l为等效弹性模量的脚标，表示其在设计区域中的区域位置，i、j、k和l均为正整数；Y为所述设计区域的面积，I为3
×
3的单位矩阵；B为所述设计区域的应变矩阵；B
T
表示应变矩阵的转置矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟浩龙，杨江林，徐婷，
申请(专利权)人：季华实验室，
类型：发明
国别省市：