论文题目: 子午线轮胎力学行为仿真及试验方法研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料加工工程
作者: 程钢
导师: 赵国群
关键词: 子午线轮胎,有限元,力学性能,试验研究
文献来源: 山东大学
发表年度: 2005
论文摘要: 汽车工业已经成为我国国民经济建设的重要行业,轮胎是汽车的重要部件之一,轮胎的力学特性对于汽车,特别是高速汽车的行驶性能,如操纵稳定性、安全性及平顺性等都具有极其重要的影响。子午线轮胎是我国轮胎工业的更新换代产品,有计划地发展子午线轮胎是中国轮胎工业的产业政策之一。高速公路的兴起,汽车工业的迅速发展和我国加入WTO,给中国轮胎工业提供了一次绝好的发展机遇,但也使我国轮胎工业面临着更严峻的挑战。在机遇和挑战面前我们应认真研究我国轮胎工业与国外的差距,并采取有效的应对措施,加速发展我国的轮胎工业。由于高性能计算机、计算技术和应用软件的发展,轮胎设计逐步迈入自动化设计和智能设计阶段,轮廓设计已由最初的自然平衡轮廓理论,发展到考虑轮胎滚动条件的最佳滚动轮廓理论等新的动态结构设计理论。目前市场要求日益严格,并向多样化和综合化方向发展,汽车开发的一体化思想正在汽车和轮胎行业逐步确立。本文采取试验研究和数值模拟相结合的研究方法,结合柔性复合材料力学、复合材料粘弹性理论、轮胎力学的有关知识,对子午线轮胎195/60R14的静态接地性能、滚动性能和振动特性进行了有限元分析,并对轮胎材料的力学性能、轮胎的接地性能和动态特性等进行了试验研究。对子午线轮胎各部件胶料进行了拉伸和循环加载试验,研究分析发现轮胎胶料的弹性模量相差较大,在小应变时弹性模量迅速升高至最大值,而后逐渐下降,在大应变状态下,弹性模量变化幅度较小,弹性模量一应变关系曲线变得平缓;胶料的断裂强度相差不大,其中,交联度大的胶料断裂强度较小,弹性模量较大:胶料在形变中产生应力松弛和滞后现象,滞后圈随应力循环次数的增多而减小并逐渐趋于稳定,形成比较重复的滞后圈。建立了子午线轮胎的轴对称非线性有限元模型,在模型中考虑了橡胶材料的非线性和不可压缩性、帘线复合材料的各向异性、轮胎大变形的几何非线性以及轮胎与轮辋的接触等边界条件,模拟了轮胎的轮辋装配-充气-自由旋转过程,给出了充气压力和离心力作用下,子午线轮胎的变形及应力分布情况,并对充气压力、离心力及带束层帘线排列角度对轮胎变形和应力分布的影响进行了研究。山东大学博士学位论文 建立了子午线轮胎垂直接地和侧倾状态下的三维有限元模型,在模型中充分考虑到轮胎材料和结构的复杂性,对帘线一橡胶复合材料采用加强筋模型,对橡胶材料采用Mooney模型,并对轮胎与轮辆的过盈配合进行了模拟,并考虑了轮胎与轮辆、地面的摩擦,对轮胎垂直接地性能进行了三维有限元分析,给出了充气压力、载荷以及带束层帘线排列角度对轮胎与地面接触过程中轮胎的变形情况、载荷一变形关系、接地区形状变化、接地应力分布、帘线应力分布等规律的影响;对轮胎的侧倾性能进行了有限元分析,给出了侧倾状态下接地印痕形状、压力分布和摩擦力分布随侧倾角度的变化规律,提出了轮胎侧倾垂直刚度与侧倾角的关系公式,为轮胎的包容特性及汽车动力性研究提供了基础。 自行研制开发了轮胎力学性能测试试验装置,并采用先进的压力敏感膜作为测试元件,探索出一整套轮胎力学性能测试方法,对子午线轮胎进行了连续加载一卸载和静态接地试验,获得了不同充气压力下轮胎下沉量与载荷的关系曲线,并采用压力敏感膜法对子午线轮胎在不同负载及侧倾角度下的接地压力分布进行了测试,得出了接地印痕形状、面积和压力分布随载荷及侧倾角度的变化规律。轮胎接地的有限元分析结果与试验结果的一致性表明,本文所建立的子午线轮胎静态接地三维有限元模型及其分析结果是可靠的;采用压力敏感膜法测量轮胎接地区的压力分布,可以一次性得到轮胎在静载荷作用下整个接地区内的压力分布,测量过程简单、快捷,测量结果精确、可视化,不仅可以避免采用压力板法时由于印痕纸造成的对压力的敏感程度的不同,或由于印迹的不圆度造成判读印迹直径时出现的误差,而且可以避免压力传感器法多次逐步测量而导致的误差。 建立了子午线轮胎滚动分析的三维有限元模型,在模型中充分考虑到轮胎材料和结构的复杂性,轮胎与轮辆过盈配合以及轮胎与轮辆、地面的摩擦等状况,研究了轮胎在标准气压、额定载荷及不同的滚动状态如自由滚动、制动、驱动、侧倾、侧偏等独立工况及联合工况下轮胎的变形情况、帘线的应力分布、接地区应力分布规律以及带束层帘线排列角度和侧倾角度对轮胎接地性能的影响,并研究了带束层、胎肩等部位的应变能密度变化规律,以及带束层帘线排列角度和侧倾角度对上述部位应变能密度的影响。分析表明,侧倾与侧偏的联合作用改善了接地区应力分布的不均匀性,不仅可以提高轮胎接地性能,而且使轮胎在纯侧倾状态下的偏磨得以缓解,体现了侧倾和侧偏的相互补偿作用。 建立了子午线轮胎振动分析的有限元模型,并建立了自由悬置和接地状态下轮胎的振动特性模态测试与分析系统,对子午线轮胎的振动特性进行了有限山东大学博士学位论文元分析和试验研究。轮胎径向振动的有限元分析结果与自由悬置轮胎试验结果的基本一致,一方面表明所建立的有限元模型的可靠性,同时也表明
论文目录:
摘要
ABSTRACT
符号表
第一章绪论
1.1引言
1.2子午线轮胎的结构及变形特征
1.2.1帘线排列角度
1.2.2胎圈
1.2.3胎侧
1.2.4带束层与垫胶
1.2.5变形特征
1.3子午线轮胎损坏形式和损坏原因
1.4子午线轮胎的优点
1.5子午线轮胎发展趋势
1.6子午线轮胎力学性能的研究现状
1.7子午线轮胎力学性能研究存在的问题及本文的研究方法
1.8本文的研究内容
第二章轮胎非线性有限元分析的基本理论及方法
2.1引言
2.2轮胎结构力学分析中的非线性特性
2.2.1轮胎的材料非线性
2.2.2轮胎的几何非线性
2.2.3轮胎的接触非线性
2.3材料模型
2.3.1橡胶材料
2.3.2帘线-橡胶复合材料
2.4接触模型
2.5关于复合材料力学性能研究中的几个问题
2.6有限元程序Marc简介
2.7本章小结
第三章轮胎橡胶材料力学性能试验研究
3.1引言
3.2试验条件
3.3试验结果及分析
3.3.1应力应变关系
3.3.2橡胶材料的断裂强度
3.3.3橡胶的滞后现象
3.4本章小结
第四章子午线轮胎轴对称非线性有限元分析
4.1引言
4.2轴对称有限元模型
4.3充气压力的影响
4.4离心力的影响
4.5本章小结
第五章子午线轮胎静态接地性能三维非线性有限元分析
5.1引言
5.2轮胎静态接地有限元模型
5.3轮胎垂直接地性能有限元分析
5.3.1轮胎受力变形情况
5.3.2接地区帘线等效应力分布
5.3.3接地区帘线剪应力分布
5.3.4充气压力对轮胎接地性能的影响
5.3.5带束层角度对轮胎接地性能的影响
5.3.6带束层角度对帘线等效应力的影响
5.3.7带束层角度对帘线剪应力分布的影响
5.4轮胎静态侧倾性能有限元分析
5.4.1轮胎受力变形情况
5.4.2轮胎侧倾垂直刚度
5.4.3轮胎接地区应力分布
5.4.4轮胎接地区摩擦应力分布
5.5本章小结
第六章子午线轮胎接地性能试验研究
6.1引言
6.2试验装置及试验方法
6.3试验结果分析
6.3.1轮胎变形情况
6.3.2接地压力分布
6.3.3侧倾对轮胎变形的影响
6.4试验结果与有限元分析结果的对比
6.5本章小结
第七章子午线轮胎滚动性能有限元分析
7.1引言
7.2滚动轮胎有限元模型
7.3自由滚动状态有限元分析
7.4驱动／制动状态下滚动轮胎的纵滑特性
7.4.1接地区法向应力分布
7.4.2接地区摩擦应力分布
7.4.3带束层帘线受力状况
7.5带束层帘线角度对滚动轮胎纵滑特性的影响
7.5.1自由滚动状态
7.5.2驱动／制动状态
7.6滚动侧倾状态有限元分析
7.6.1侧倾自由滚动状态
7.6.2滚动侧倾驱动／制动状态有限元分析
7.6.3滚动轮胎侧倾侧偏复合状态有限元分析
7.7本章小结
第八章子午线轮胎振动特性有限元分析及试验研究
8.1引言
8.2子午线轮胎振动特性有限元分析
8.2.1轮胎模态分析有限元模型
8.2.2轮胎的固有频率和振型
8.3轮胎模态试验
8.3.1基本原理
8.3.2轮胎模态测试与分析系统
8.3.3轮胎模态试验结果
8.4结果对比
8.5本章小结
第九章结论与展望
9.1结论
9.2展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间完成的论文
攻读博士学位期间参与的科研项目
发布时间: 2005-06-14
参考文献
- [1].子午线轮胎的三维非线性有限元分析和性能仿真的研究[D]. 杨卫民.北京化工大学1998
- [2].子午线轮胎综合接地性能评价体系与方法研究[D]. 梁晨.江苏大学2013