带有胎面花纹的轮胎三维有限元分析与泵气噪声研究（可编辑）

带有胎面花纹的轮胎三维有限元分析与泵气噪声研究（可编辑） 带有胎面花纹的轮胎三维有限元分析与泵气噪声研究 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 外,本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 式 作者签名: 日期: 翌;』: 盏丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全 部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释:本学位论文属于保密范围,在一年解密后适用本授权 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 。非保密论文注释:本学位论文不属于保密范围,适用本授权书。 作者签名: 日期: , 杰丝垒 导师签名:弛圭兰堑 日期:翌』,篁三学位论文数据集 . 中图分类号 学科分类号 . 论文编号 密 级 公开 学位授予单位代码 学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名 赵鹏 学 号 获学位专业名称 流体机械及 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 获学位专业代码 轮胎 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与制造工艺 课题来源 研究方向 有限元分析 国家工程实验室立项 论文题目 带有胎面花纹的轮胎三维有限元分析与泵气噪声的研究 关键词 子午线轮胎,花纹,有限元,泵气噪声,仿真分析 .. 应用研究 论文答辩日期 ,论文类型 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位 学科专长 指导教师 杨卫民 教授 北京化工大学 高分子材料先进制造 评阅人 何雪涛 副教授 北京化工大学 机械设计及理论 评阅人 丁玉梅 副研究员 北京化工大学 高分子材料先进制造 北京瑞森正邦橡胶 椭员蝴 王定国 高级工程师 橡塑机械 技术有限公司 答辩委员 谢同维 高级工程师 北京英特塑机总厂 塑料机械 答辩委员 张亚军 教授 北京化工大学 机械控制与塑料机械 答辩委员 安瑛 副教授 北京化工大学 聚合物成型装备 答辩委员 何雪涛 副教授 北京化工大学 机械设计及理论 答辩委员 丁玉梅 副研究员 北京化工大学 高分子材料先进制造 答辩委员 谢鹏程 副研究员 北京化工大学 高分子材料先进制造 刘勇 北京化工大学 聚合物加工原理 答辩委员 副研究员 注:一.论文类型:.基础研究.应用研究.开发研究.其它 .中图分类号在《中国图书资料分类法》查询。 二 三.学科分类号在中华人民共和国国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 / 学科分类与代码》中 查询。 四.论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。摘要 带有胎面花纹的轮胎三维有限元分析与泵气噪声的研究 摘‘要 中国汽车工业的迅速发展极大地推动了轮胎工业的进步。轮胎行 业的发展面临着机遇,但也充满着挑战。发展自主核心技术、提高产 品附加值是我国轮胎工业蓬勃发展的基础。针对市场流行的子午线轮 胎,国外轮胎公司已经进行了详细的研究,一系列综合性能优异的子 午线轮胎已经面市。我国对于轮胎的研究起步较晚,但发展较快,也 推出了自主品牌的高性能轮胎。然而,赶超国外先进的轮胎研究水平, . 开发全球领先的高性能轮胎,任重而道远。 本文基于有限元分析软件,考虑橡胶轮胎的各种非线 性条件,建立了带有胎面花纹的子午胎三维模型,并进行了静载接地、 稳态滚动、侧偏滚动、侧倾滚动和侧偏侧倾滚动工况的分析。分析结 果表明:胎面花纹对轮胎的接地印迹、法向接触应力以及带束层的应 力分布有一定的影响,其中胎面的横向沟槽决定着轮胎的牵引性能, 周向沟槽很大程度上影响了轮胎的操纵性能;同时,轮胎的充气压力 也会影响轮胎的操纵性能,充气压力越大,侧向刚度越大,但发生侧 向滑动时的侧向载荷有所减小;侧偏滚动和侧倾滚动下,胎面都会不 同程度地出现单边磨损,并且造成轮胎的单侧疲劳,从而影响使用寿 命;侧偏和侧倾相结合,在一定程度上降低了胎面的不均匀磨损,但 大侧倾角度下侧偏发挥的作用极为有限,因此,合理选择侧偏角和侧倾角具 有十分重要的现实意义。 在轮胎自由滚动的基础上,提取花纹沟槽的变形信息,利用动网 进行了复杂花纹沟槽泵气噪声 格技术施加到泵气噪声模型上, 的仿真分析,分析结果表明:沟槽运动时,沟槽内气流和外部大气相 互作用,沟槽内部出现了有旋流和无旋流,并且在沟槽出口的边缘部 位出现了漩涡,根据涡声理论,漩涡的周期性形成和破裂发声的根源, 因此,抑制漩涡形成是降低噪声的有效措施。对不同沟槽尺寸结构的 泵气噪声进行了分析,长度时,远场声压存在拐点;宽度为 时声压级的大小存在一个拐点;深度越小,声压级越小。最后, 从结构和材料两方面提出了降低轮胎泵气噪声的新思路和新结构。 关键词:子午线轮胎,花纹,有限元,泵气噪声,仿真分析 ’ ..’ . , ,, . . , , ,’ ’ .? , , , , , ,.: , 北京化工大学硕士学位论文,;, , ,. , , , .,, ,, , . . , ,, : , . , , , . , ,. , , , . ,. : , , , , 北京化工大学硕士学位论文 目录 目录 第一章绪论 .轮胎概述. 子午线轮胎结构? .. ..典型高性能轮胎介绍??. .子午线轮胎结构力学性能研究现状..国外研究现状?. ..国内研究现状?. ,.轮胎噪声研究现状.. ..轮胎泵气噪声..... ..轮胎振动噪声.? .研究目的和意义? .课题研究内容?..儿 .本研究技术路线?. 第二章花纹轮胎有限元模型建立与静力学分析.轮胎材料模型?.. ..橡胶材料模型? ..橡胶一帘线材料模型??. . /轮胎有限元模型? ..网格划分及单元类型选择? ..轮胎二维断面模型??.. ..轮胎三维有限元模型??:??.. ..胎面花纹模型? 北京化工大学硕士学位论文 ..花纹轮胎三维有限元模型.. .接触边界条件定义一??. .花纹轮胎静态分析. 装配工况??. .. ..充气工况??. 三维花纹轮胎静载分析?. .. .本章小结 第三章花纹轮胎稳态滚动有限元分析 .轮胎自由滚动?.。. ..轮胎等效应力分析??.. ..轮胎接地性能分析??.. .侧偏滚动. ..轮胎等效应力分析??.. ..轮胎接地性能分析??.. .侧倾滚动 ..轮胎等效应力分析??.. ..轮胎接地性能分析??.. .侧倾侧偏滚动?.. ..轮胎等效应力分析??.. ..轮胎接地性能分析??.. .本章小结 第四章花纹沟槽泵气噪声数值分析模型?.:??. .气动声学理论?.. ..流体运动方程? ..流场中的声源?目录 .. 声类比方程?..’ ..?方程?. 花纹沟槽泵气噪声模型.. . ..泵气噪声分析思路??.. 物理模型建立及网格划分.. .. ..湍流模型与求解器设置?. ..流体属性??. ..边界条件??. ..时间步长??. .本章小结 第五章轮胎泵气噪声仿真分析与胎面低噪优化.流场分析 ..空气稳态流场分析??.. ..沟槽瞬态流场分析??.. .轮胎泵气噪声声场分析..声压级基本概念. ..远场气动噪声频谱分析?.. ..远场声压时域分析??.. .沟槽尺寸对泵气噪声影响的研究??. ..沟槽深度对沟槽泵气噪声影响的分析. ..沟槽长度对沟槽泵气噪声影响的分析.. ..沟槽宽度对沟槽泵气噪声影响的分析.. .泵气噪声降噪方法的研究?. ..轮胎横向沟槽结构??.. ..橡塑复合轮胎胎面??.. .本章小结 北京化工大学硕士学位论文 第六章结论与展望.?.. .结论?.. 展望?. . 参考文献? 致谢研究成果及发表的学术论文?..作者及导师简介 ....................? .??. ..??..??. .. ? . ’. ..?...?......??.. ..??. ...??..: .??.. .... .. ..??. .. .... ./?. ..??..?.. .. ... .. . 北京化工大学硕士学位论文 ..? .... ..... ..... .??.’ ...... ..?. .. ’??. . ................................................... ..?. .. ’??. ... ..?. ..’??. . ?.. ..?. ..’??. .?.’.. . .................................? ..... ..?. ... .... .. ’?.. .. ..?. ..?.. ..?. .. .................................. ... ..??.. .?.. ..?. ..?.... .. ..??.... ... .? 北京化工大学硕士学位论文 .......?.?. .. .?. .............................................. ........................................ .................. ........................ 第一章绪论 第一章绪论 轮胎是汽车以及各种工程车辆的主要配件,主要作用有以下四个方面:’支持 车辆的全部负荷;提供车辆加速时的驱动力和减速时的制动力;提供横向力以便 实现车辆良好的操纵性能;最后,缓解路面不平所引起的车辆振动。以上这些功 能都是相互联系相互制约的,并且直接影响着汽车的相关性能?。然而,轮胎与 地面之间的相互作用使胎面和整个胎体都发生了不同程度的变形,从而产生了振 动噪声和气动噪声,导致了汽车外部噪声的增大。因此,轮胎力学性能及其所 辐射的噪声都是轮胎设计时应该考虑的重要因素。 .轮胎概述 古人在早期的生产实践中认识到滚动比滑动更省力,并且将这一自然规律在 很多方面进行了应用,如带有石轮、木轮和陶轮的运输工具以及古代战车。然而, 当时的历史条件下,车轮没有突破性的进展,直至年,美国人古德伊尔偶 然发现了橡胶的硫化方法以及本身具有的高弹特性,将其包裹到车轮上,起到保 护轮缘和减少车轮振动的作用,提高了车辆的乘坐舒适性。从此,人们更多地关 注如何提高车轮的缓冲减振性能。年,苏格兰工程师汤普森申请了《改善 车辆的车轮》的专利,标志着车轮的创新设计进入了新的阶段,从此,车轮也 被 形象称之为轮胎。年,实心橡胶轮胎获得应用,但是实心轮胎固有的弹性 小、固定不牢固等缺点在很大程度上限制了大范围的推广应用。年,爱尔 兰兽医邓禄普申请了充气轮胎的专利,提高了自行车的乘坐舒适性,并在一定程 度上得到了推广应用,但当时的轮胎处于低级阶段,在很多方面都受到限制。 年法国米其林公司成功开发了子午线轮胎并于年以商品形式推向市场。 年发明了全钢子午线轮胎,年意大利倍耐力公司研制出半钢子午线轮 ,揭开了轮胎革命的新序幕。轮胎行业迅速迈向汽车领域,为世界汽胎。从此 车 工业的发展做出了巨大贡献。 充气轮胎一般由内胎、外胎和垫带组成,内胎是装有气门嘴的密封环形胶筒, 位于外胎和轮辋之间,用以充入内压空气,使轮胎获得弹性并且能够承受一定的 载荷;而外胎主要由胎面、胎体和胎圈组成,是轮胎主要得到受力部位;垫带是 具有一定断面形状的无接头环形胶带,将其置于轮辋和内胎接触部位,用以保护 内胎不受轮辋及胎圈的磨损,其结构如图.所示。北京化大学顶?学位论立 图充气轮胎结构图 一外胎:内胎;.垫带 . ;; ; .’子午线轮胎结构 子午胎由胎冠、带束层、胎肩、胎侧、帘布层和胎圈组成,并以带束层箍紧 胎体,其构造如图?所示。此种轮胎的特点是?: 帘布层帘线排列的方向与轮胎的子午断面一致。此种排列方式,使其 强度得到了充分的利用。子午胎的带束层数一般比普通斜交胎少%一%,胎 体较为柔软,因此缓冲性能较好,具有较好的乘坐舒适性。 帘线在圆周方向上只靠橡胶来联系,为了承受行驶过程中产生的高剪 切应力,子午胎做有若干层接近周向排列的带束层.带束层具有高强度、不易 拉 伸等优点,其帘线与子午胎断面呈。到。,承受轮胎%到%的内应力, 的受力部件。 是予午胎主要 子午线轮胎新的结构特点使其产生了新的性能特点,其优点主要有: ,附着性能好,单位面积的压力也小,因而,滚动阻力小。 接地面积大 胎冠较厚且具有坚硬的带束层,抗刺穿性能好,使用寿命长。 帘布层数少,胎侧薄,所以散热性能好。 径向弹性大,缓冲性能好,负荷能力犬。 其缺点是:胎侧与胎冠厚度相差较大,两者过渡的区域易产生裂口;侧向变 形严重,导致汽车行驶过程中侧向稳定性较差.同时.子午胎制造要求高.成 本 也高。第章绪论 图子午线轮胎结构示意图 .昏典型高性能轮胎介绍 自年邓禄普制成橡胶轮胎以来已有个多世纪的历史,在这漫长的时 间里,性能优越的子午线轮胎逐渐取代斜交胎成为世界轮胎发展的主流,世 界各 大轮胎公司也相继推出了一系列高性能轮胎,如图.所示。 轮胎为米其林推出的一款高性能跑车胎.具有超儿的 干地操控性能和超强的运动性能; 轮胎为更省油、更安静、里程 更长的轮胎,独特的配方和结构设计使其具有高耐磨性、低滚动阻力和低噪音等 轮胎骨架采用高强度帘子线,胎体结构采用创新的优化 性能优点; 技术,使轮胎胎侧在承受额外压力时,能将压力迅速分散,从而提高了轮胎的抗 损坏能力”。 稳定的弯路操控性能和良好 三能轮胎具有赵好的湿地操控性能, 的乘坐舒适性,越柬越受到汽车用户的欢迎;“御乘”轮胎采用创新的“静音胎 面”技术,将轮胎滚动时产生的噪音降到最低,被誉为固特异有史以柬晟安静、 最舒适的轮胎:静音专家采用双排胎面花纹反对称截距排布,分散了 共振频率,达到了降低噪音的效果。匕京化工大学碗?学位论文 固一 曩 口一囝 三能轮胎 “御乘”轮胎静音专家 图典型高性能轮胎 嘻米其林将“破坏创新”引入轮胎世界,发明了轮胎图,这种 轮胎是将弹性聚氨酯辐条网的内缘熔接到轮毂上外缘熔接到平轮辋上,以取代胎 体,具有安全性能高、乘坐舒适性好和跨越路上危险物的性能。固铂轮胎公 司也 研发出一种新型仿生非充气轮胎~蜂巢轮胎图。,具有质量小、强度高、减 振性能好等优点删,并且已成功使用在军用车辆上。非充气轮胎的各项力学性能 还有待深入研究并进一步提高以及在实践中接受检验,因此尚处于概念轮胎阶 段。然而,这种否定传统充气轮胎的创新理念给轮胎工业的发展注入了新的活力, 是轮胎发展的一大趋势。 另外,世界各大轮胎公司还推出了缺气保用轮胎、智能轮胎、仿生轮胎、低 世界轮胎行业呈现了百滚动阻力轮胎和高抓着性轮胎等一系列高性能轮胎. 花齐 放的蓬勃局面。第章绪论 图米其林轮胎 图固铂仿生蜂巢轮胎 .子午线轮胎结构力学性能研究现状 子午线轮胎复杂的材料非线性、几何非线性以及接地工况下严重的接触非线 性,在很大程度上限制了进一步的分析计算。随着计算机的发展和有限元理论的 完善,以日本普利司通为代表的轮胎公司推出了基于有限元分析的轮胎结构优化 设计理论,揭开了轮胎有限元分析的新纪元。因此,有限元分析技术越来越应用 到轮胎新结构的开发和性能预测中。 国外研究现状 轮胎与地面的相互作用是轮胎力学性能得以体现的先决条件,早期国外科研 人员对轮胎方面的研究主要集中在接地性能和侧偏性能,但其模型和边界条件存 在太多的简化,模拟结果与真实情况相差太大。随着计算机水平的提高和有限元 技术的发展,精确量化模拟成为轮胎分析的发展方向。 等”?运用有限元技术建立了汽车轮胎的三维模型,分析了侧向力 作用下轮胎的力学特性,并对分析结果进行了实验验证,两者的统一性较好,对 于轮胎的模型建立和初始结构设计有着指导作用。 ?基于层合板模型理论.详细介绍了建立三维轮胎有限 等 元模型的步骤,对模型进行了有限元分析,得到了轮胎的应力分布,并对仿真结 果进行了实验验证。实验结果表明此种轮胎有限元模型具有一定的实用性。 等”提出了一种建立胎面花纹较为方便的方法。运用软件, 胎面花纹与胎体采用摩擦接触.建立了带有部分胎面花纹的三维有限元模型,并 且进行了良好的网格划分,揭开近代花纹轮胎仿真分析的序幕。北京化工大学硕士学位论文 等【基于三维有限元技术和简单的刷子模型。考虑橡胶的粘弹性,建 立了滚动轮胎胎面花纹与光滑地面接触的模型,进行了仿真分析,得到了胎面花 并且进行了实验验证,效果较好,从而更好地诠释了轮胎纹的各种应力分布, 滚 动过程中胎面花纹的作用。 等【 分析了轮胎在土壤中的接触应力分布,并且考虑了轮 胎轮廓、充气压力和载荷对其接触应力的影响,为轮胎的力学性能预测提供了更 多的依据,对于轮胎的结构优化具有重要的意义。 等考虑地面的粗糙性,建立了滚动轮胎胎面与粗糙路面接触的模型, 更好地分析了不同路面工况下,轮胎胎面的受力情况,具有重要的现实意义。 由此可见,国外科研人员对于轮胎力学性能的研究,向着精确化和更贴近实 际的方向发展,越来越多的轮胎模型都考虑复杂胎面花纹,并且路面不再简化为 ,沥青路面、土壤路面下轮胎的力学性能的研究已经在期刊杂志上有所刚体 体现。 ..国内研究现状 国内在轮胎力学仿真方面起步较晚,但发展速度较快,许多科研人员积极投 身轮胎性能分析中,对不同工况下轮胎各部位的力学性能进行了仿真预测,并取 得了很大的进展。 闫相桥等【 】采用有限元技术,从骨架受力和橡胶受力两方面对轮胎的耐久性 进行了分析,对于轮胎的结构优化设计有着重要的意义。 陈芳等?对子午胎的内帘线受力进行了系统的分析,并考虑不同的帘线排布 对轮胎力学性能的影响,为帘线的设计提供了科学的指导。 郭孔辉等考虑胎体的复杂变形,建立了稳态侧偏的理论模型,分析了滚动 速度对轮胎侧偏性能的影响以及接地印痕的分布情况,并给出了很好的诠释,最 后提出了建立具有合理速度预测能力半经验模型时对滚动速度影响的考虑方法。 程钢等【】研究了侧偏侧倾状态下轮胎各部位的应力分布以及带束层帘线排 列角度和侧倾角度对轮胎接地性能的影响,侧偏和侧倾联合作用可以有效改善轮 胎接地应力分布。 王伟?,葛金虎【】等对轮胎的接地性能进行了有限元分析,得到了轮胎接 地应力分布,但其模型忽略了胎面花纹,因此结果精度不高。 对花纹轮胎进行了三维有限元分析,得到了胎 束永平考虑复杂胎面花纹, 的相关应力应变分布,对轮胎性能预测和花纹形式的设计起到了指导作用。 王友善等对大侧倾角条件下轮胎的力学?工白日匕进行了分析,侧倾工况下轮胎 磨损严重,胎面花纹的存在很大程度上改变了胎面应力分布,并进一步探讨了胎第一章绪论 面花纹对轮胎侧倾工况的影响。 刘小虎等采用显示动力学模块,分析了不同路况下轮胎的接地性能,并从 动力学方面探索了胎面花纹对轮胎平顺性、通过性以及接地性能的影响。 由此可见,国内对于轮胎力学性能的研究相比国外还有很大的差距,但是也 朝着精确模拟的方向发展,考虑胎面花纹的轮胎的三维有限元分析是国内的研究 热点也是重要的发展方向。 .轮胎噪声研究现状 轮胎噪声的发声机理较为复杂,并且多种噪声相互交织,是现阶段轮胎研究 的一大难点,也是一大热点。一般说来,正常行驶状况下,轮胎噪声主要有花纹 沟槽变形诱发的流体发声和轮胎振动向外辐射的振动噪声。轮胎泵气噪声 轮胎在平直路面行驶时,轮胎与路面的相互作用使得花纹沟槽发生压缩变 形,沟槽内的空气也随之被压缩,被迫从沟槽端口排出,于是造成了局部空气的 不稳定流动:离开路面时,受压缩的花纹块变形恢复,窑积突然增大而形成一定 的真空度,外部空气急速吸入沟槽内部。这种空气泵吸作用,导致了汽车行驶过 程中轮胎产生一种喷射噪声,即气流从管口高速喷射造成周围空气剧烈振动产生 的噪声,这种噪声称为轮胎的泵气噪声口”,其发声过程如图所示。 图石花纹沟槽泵气发声 .西 年,首先提出空气泵浦原理是轮胎主要的发声机理。基于这 一机理,建立了花纹沟泵气噪声的单级予模型,并得到了计算横向沟槽泵气噪声 的半经验公式,揭开了泵气噪声的研究序幕,具有一定的实用性。 口”对泵气噪声进行了较为系统的研究。基于提出轮胎 环模型运动方程计算出轮胎的变形,进而得到了横向花纹沟槽的容积变化规律,北京化工大学硕士学位论文 结合声学理论给出了声压计算公式,在一定程度上反映出了胎面花纹尺寸和形状 对噪声的影响。 .【】建立了轮胎的理论模型,该模型在一定程度上进行了简化。 将轮胎力学分析中的相关结论与轮胎噪声的实验结果进行了有机结合,得到 了轮 胎横向沟槽泵气发声的时域波函数。该结果虽然具有一定的不确定性,但可以定 性了解轮胎的泵气噪声。 于增信【】在前人关于泵气噪声机理和模型研究的基础上,基于轮胎的变形力 学分析,提出了一种预报轮胎泵气噪声的半经验模型。该模型直观地体现了花纹 沟几何参数、结构尺寸等因素对噪声的影响,并且进行了实验验证,两者具有较 好的一致性。 朱兴元【】基于声学理论,仅考虑胎面的横向沟槽,将每个沟槽看做一个单极 子声源,并且忽略沟槽之间的相互干涉,提出了预测泵气噪声的计算公式,并且 进行了实验验证,该公式有很好的实用性。 李福军等【将花纹端部声源的发声,建立了预测模型并计算了发声情况,对 轮胎花纹的设计有一定的指导意义。 陈理君从算法角度出发,对轮胎的花纹噪声进行了编程计算,并开发了 频谱仿真软件,可以较好地获得花纹噪声的声压频谱,但无法模拟发声过程 和发声机理。 有限元理论技术的发展和完善,为轮胎泵气噪声的研究分析提供了新的思 路,基于有限元理论的数值模拟技术成为现在轮胎泵气噪声的研究热点,但由于 起步较晚,相关研究还停留在初始阶段。 提出了一种研究泵气噪声的综合方法。该技术包括三个方面: 小规模泵气噪声的产生过程可模拟为花纹沟槽底部的类活塞运动,并对此进行数 值模拟;沟槽内空气的流动特性是泵气效应的来源,噪声传播的模拟重点放在完 整轮胎/道路模型的散射过程上;远场声压可通过计算流体力学进行预 测。该方法可以克服声单级子从一般的小振幅声波方程假设的缺点,使用非线性 方程进行计算,为轮胎泵气噪声的仿真研究起到了指导作用。 ?呵的显示计算方法并使羽进行 余洁冰【】首次使用有限元软件. 处理数据,得到了花纹沟槽与空气耦合与不耦合两种状态下的噪声强度,在一定 程度上验证了轮胎花纹沟的泵气噪声,为轮胎噪声的有限元分析提供了新的思 路,但其分析过程做了过多的假设,分析结果不具说服性。 王国林等【基于曲声类比理论和涡声理论,结合线性有限 元软件和流体分析软件,对单个花纹沟槽的泵气发声机理进行了阐述,提 供了一种预测轮胎花纹沟槽泵气发声的数值计算方法,并能够很好地模拟泵气噪第一章绪论 声的发声过程。但其模型较为简单,只考虑了单个横向沟槽,忽略了纵向沟槽与 横向沟槽连接处气流的作用和多个沟槽的迭加效果。然而,这种新的思路为复杂 花纹沟槽泵气发声的研究打下了基础。轮胎振动噪声 滚动状态下轮胎与路面的接触力随时间的变化引起轮胎的振动,从而辐射声 音。轮胎振动辐射噪声比较复杂。一般来说,振动噪声主要来自花纹块撞击 路面 和径向、切向力作用下的胎面振动。另外,钉盯提出轮胎胎面的局部变 形是中高频噪声的一项来源【蛐。胎面橡胶与路面相比具有较低的剪切模量和高泊 松比,因此路面上的凸峰将导致胎面的局部变形,从而辐射噪声,如图.所示。 图?轮胎振动噪声 .? 考虑带束层和基座的粘弹性,建立了预测轮胎振动噪声的模型。 好地预测以下的振动噪声,具有一定的实用性,但也有很大 该模型可较 的局限性,因此没有得到广泛的应用。’等””将轮胎带束层模拟成一个多层粘弹性圆柱,并位于胎侧和胎 面之间,进而建立了预测振动噪声的模型,可计算粗糙路面下的振动噪声。 ”提出了一种预测振动噪声的厚圆柱壳模型。考虑预应力和结 构阻尼的影响,并假设小振幅和线弹性变形。运用薄壳理论对此模型进行了计算 分析,然后通过解波动方程来获得远场声压。然而此模型没有考虑轮胎带束层的 各项异性,所建立的模型不具说服性。基于此,提出了正交异性板模型, 有效弥补了上述模型的不足,为准确的理论分析奠定了基础。 朱兴元【”考虑橡胶材料的粘弹性性质,将子午线轮胎模拟成一个胎面层具有 粘弹性的圆环弹性基础模型。在此模型的基础上建立了频率方程,本模型预报的 频率值与实验值较好地吻合,具有较好的准确性和实用性。 等【”通过实验表明轮胎的振动形态和振动噪声有着很深 的联系。因此,通过建立光面轮胎的三维模型,用一种简单的方法计算出了振动北京化工大学硕士学位论文 情况下轮胎噪声的近场分布。 .等【】考虑胎面花纹对于轮胎的振动发声有很大的影响,同时胎 面花纹的存在造成了轮胎带束层的非均质性,提出了一种描述花纹轮胎振动特性 的线性方程。首先,通过扰动理论研究光滑轮胎的振动,得到了轮胎振动的半解 析表达式,很好地诠释了自激现象,然后使用布洛科声波理论概括了带束层的多 向性,最后基于弗洛盖理论,提出了一种计算轮胎振动有效方法,并基于有限元 方程和算法提出一种“异构半圆模型”。 ..】研究了自由轮胎和负荷轮胎在滚动工况下的振动频率和 振型特征,并且考虑了轮辋的振动。分析结果可以预测不平路面上轮胎滚动所辐 射的噪声。 将有限元和边界元联合应用于轮胎振动噪声的预测。首先用有限 元分析技术获得轮胎胎侧的振动信息,然后将振动信息导入到边晁元分析软件中 进行振动噪声声压级的计算,揭开了轮胎振动噪声仿真预测的新序列。 等通过实验的方式测得滚动轮胎的振动信息,将其作为 初始条件,运用边界元分析技术,得到了轮胎振动噪声的声压分布,与实验结果 吻合性较好。 包秀图等【 用有限元软件和边界元软件模拟计算了轮 胎的低频振动噪声,得到了噪声的频域响应;同时对该方法的有效性进行了考评, 结果表明可以在以下的低频范围内分析轮胎的低频振动噪声。 常亮等【】利用有限元软件和边界元软件对光面轮胎和 带有纵向花纹轮胎在受到径向面力、切向面力和侧向面力的激励作用下的发声进 行了模拟仿真,初步提出了轮胎胎面花纹对轮胎噪声的影响,为以后研究复杂胎 面花纹对振动噪声的影响打下了基础。 由此可见,对于轮胎的振动噪声,从理论分析到仿真计算,都有了较为深入 的研究,对其发声机理和辐射模式也有了全新的了解。随着轮胎高速性能的提高, 振动引起的噪声在轮胎噪声中所占的比例相对减少,科研人员越来越多地把目光 放在轮胎振动引起的汽车乘坐舒适性上。 .研究目的和意义 随着人们对汽车轮胎性能要求的不断提高以及欧盟新标签法的出台,我国轮 胎行业面临新的挑战。低噪声性能、高力学性能轮胎成为现在轮胎的研究热点, 也是未来轮胎的发展趋势。轮胎巨头公司以及国外科研人员在这些方面投入了相第一章绪论 当大的精力,并且已经取得较大的进展。我国在轮胎结构力学性能和噪声方面也 进行了研究,并且取得了一定的成果,但与国外先进技术相比还存在很大的差距, 赶超国外先进的轮胎仿真研究技术,开发低噪声、高力学性能轮胎,跻身一流轮 胎研发行列,任重而道远。 对于轮胎力学性能的研究大都忽略胎面花纹或者仅考虑纵向沟槽,所得分析 结果在一定程度上指导了轮胎的优化设计,但是离精确化程度还有一定的距离。 本文提出了一种建立花纹轮胎较为简便的方法,在贴近实际工况下,进行了相关 力学性能的计算分析,在保证分析精度的同时,最大限度减小了计算量,缩短了 计算时间,并且与光面轮胎和沟槽轮胎进行了力学性能对比,分析了胎面花纹对 子午线轮胎性能的影响。此项研究对于轮胎的结构优化设计和花纹形式的创新研 发提供了科学的指导,对于优化轮胎的耐磨性、使用寿命、舒适性、操纵性等有 着深远的现实意义。 对于轮胎噪声的研究,国内外科研人员主要集中在振动噪声上,从理论模型 分析,到有限元和边界元相结合的仿真分析,进行了较为深入的研究,对其发声 机理有了深刻的认识,并提出了较好的降噪措施,从而使振动噪声得到了有效的 控制。然而,对于轮胎泵气噪声的研究,主要进行理论定性分析和试验定量验 证, 其沟槽内的气流分布以及泵气噪声的产生过程还难以形象直观地描述。基于此, 本文建立了复杂花纹沟槽泵气噪声的模型,基于声类比理论,采 用中的气动噪声模块,对花纹沟槽内气体流场进行了仿真,并对远场 声压进行了声压级的预测。本项研究提出了一种花纹沟槽泵气噪声数值分析的方 法,首次建立了复杂沟槽的泵气噪声模型并对其进行了分析,对于揭示泵气噪声 的发声机理和产生过程,以及预测远场声压有着重要的意义。同时,对开发低噪 声轮胎胎面提供了科学的理论指导。 .课题研究内容 本文基于/轮胎,以有限元分析软件为平台,建立了三 维花纹轮胎的有限元模型,并进行了相关力学性能的研究,在稳态滚动的基础上, 提取花纹沟槽的变形信息,采用软件进行了泵气噪声的仿真分析。其主要 研究内容有以下几方面: 提出了一种建立花纹轮胎的简便方法,建立了带有部分胎面花纹的子 午线轮胎模型,对此模型进行了装配、充气、静载接地工况的分析,并提取了花 纹轮胎径向刚度、横向刚度特性曲线,并且考虑了充气工况对轮胎径向刚度和侧 向刚度的影响,为轮胎平顺性和操纵性的优化提供了科学的指导。北京化工大学硕士学位论文 对花纹轮胎进行了自由滚动、驱动、制动、侧倾滚动、侧偏滚动和侧 倾侧偏滚动分析,得到了橡胶体和骨架结构的应力分布以及接地应力分布,并且 深入研究了胎面花纹对轮胎相关力学性能的影响,对轮胎结构设计及其在汽车上 的安装具有指导性意义。 在轮胎自由滚动的基础上,提取花纹沟槽的变形信息,基于 声类比理论,建立了复杂花纹沟槽泵气噪声的模型,运用中的气 得到了沟槽内的流场分布以及远场声压级预测动噪声模块进行了仿真分析, 值, 并且分析了不同沟槽尺寸对泵气噪声的影响,得到了最优沟槽尺寸,最后提出了 降低轮胎泵气噪声的新思路。 .本研究技术路线 轮胎的力学与噪声是紧密联系,不可分割的。轮胎运动必然引起花纹沟槽的 变形,沟槽变形是轮胎产生泵气噪声的主要因素,通过中的动网格技 术可以将两者很好地联系起来,课题的具体思路如图.所示。 花纹轮胎三维有限元模型 泵气噪声的模型 性能预测及结构优化 花纹低噪优化 图.本研究的技术路线 .第二章花纹轮胎有限元模型建立与静力学分析 第二章花纹轮胎有限元模型建立与静力学分析 随着有限元理论的逐渐发展与完善,有限元分析开始应用在轮胎结构力学性 能的研究中,并且逐渐取代传统的试验手段,成为轮胎性能预测的主流方式。基 于有限元分析技术,也诞生了一系列所谓的“现代设计理论”。随着计算机性能 的提高,人们对轮胎性能预报的准确性要求越来越高,考虑复杂胎面花纹的轮胎 性能分析成为现阶段的研究热点。本章基于有限元分析软件和 /轮胎结构,考虑轮胎的材料非线性、几何非线性和接触非线性,建立 了花纹轮胎的三维有限元模型,进行了相关力学性能的分析。 轮胎材料模型 橡胶材料模型 .. 橡胶硫化后分子呈网状排布,具有超弹性、不可压缩、大变形等特点,其应 力应变关系也表现出高度的非线性,描述其力学行为的本构模型也极为复杂。工 程上常用的橡胶本构模型主要是.模型和模型,考虑轮胎的 大变形以及模型对复杂变形情况具有良好的预报能力,本文采用模型 作为橡胶材料的本构模型,其应变能密度函数为 ?’ 式中为硫化胶的应变能密度函数,入入入为主伸长比的第一不 变量,入,,为三个主伸长比,,,为单轴拉伸或压缩、平面拉伸 和等轴拉伸等简单实验数据拟合而成的材料常数【】。 ..橡胶一帘线材料模型 描述橡胶.帘线的模型主要有复合材料模型和模型。复合材料模型中 的各项参数受实际条件的限制无法准确测定或者测试难度较大,因此该模型很少 应用在轮胎分析中。模型可以将多个帘线层表示在同一个单元内,而且不 会增加自由度,同时参数的测定简便可靠,在轮胎建模中得到了广泛的应用。 鉴 于此,本文采用单元模拟轮胎的帘线模型。 模型,也称加强筋模型,最初应用于钢筋混凝土结构中,由于其独特 的单元属性,逐渐发展到各项异性的复合材料模拟中。轮胎作为一种典型的复合北京化工大学硕士学位论文 材料,也越来越多地采用此模型进行模拟,基体和加强结构可以分别定义各自的 本构模型而不相冲突。其单元定义如图.所示,在中,只需定义各 帘布层的材料、帘线方向角、帘线间距和横截面积【。 图轴对称模型中单元定义示意图 .?. /轮胎有限元模型 ..网格划分及单元类型选择 结构化网格和扫掠网格分析精度相对较高,是工程计算时优先采用的网格类 型。轮胎的网格划分对于分析结果有着重要的影响,为得到准确的分析结果,轮 胎网格划分时应采用结构化网格与扫掠网格相结合的方式,以扫掠网格为主,在 较窄区域采用结构化网格。由于橡胶轮胎复杂的材料特性、结构特性以及橡胶. 帘线的各项异性,在选取单元类型时应重点考虑大剪切、大扭转、大位移等变形。 因此,轮胎轴对称模型中,橡胶采用节点、双线性、完全积分、常压力杂交单 元单元,骨架材料采用二维轴对称壳单元。 ..轮胎二维断面模型 根据/型轮胎的实际结构,考虑轮胎中胎面胶、胎侧胶、三角胶、 耐磨胶、气密层等材料,对帘线、胎体和钢丝圈采用单元,通过 功能嵌入到胎体中【】。在中建立二维轴对称模型,并进行网格划分和 单元属性的定义,如图.所示,该模型共有个节点,个单元。第二章花牧轮胎有 限元模型建立与静力学分析 耐磨破 图轮胎二维断面模型.? 部分文件如下所示: : :? :/ ,,, ., ,一 , , , , , . . , ,”,,, ,,,, :北京化工大学《?学位论立 , , , ,,,, : ,, ? ,? . , ,? , , , , ,. , ‘ .轮胎三维有限元模型 .运用“”命令, 在软件中 将二维轴对称轮胎模型转化成三维轮胎模型,考虑接地区域应力应变复杂, 对接 地部分进行网格细分,生成的三维轮胎有限元模型如图?所示。 国 图三维轮胎有限元模型 ? ” 第章花纹轮胎有限元模型建与静力学分析 二维到三维转换的部分文件为: ’ ,,,, ,,,,,. .. .,。 ,,, ,,,胎面花纹模型 胎面花纹部分的模型在三维绘图软件/中进行,运用软件中的“环形折 弯”技术,建立了复杂花纹沟槽的胎面模型。考虑到本文主要是对轮胎的接地性 能进行分析,为了减小计算量,提高计算效率,提取了与地面接触的部分胎面花 纹,并忽略了花纹块上刀槽如图,将胎面花纹导入到中,进 行网格划分和材料属性的定义,如图所示?。 器壁勰 器 部分腑面花纹的网格模型 部分胎面花纹的初始模型 图一部分胎面花纹及网格划分.? 船 花纹轮胎三维有限元模型 为了减少三维模型单元过多而引起的计算时间过长的缺点,本文只考虑在轮 胎接地区域添加度的三维轮胎花纹。绑定约束是将模型中的两个部分 绑定在一起,使其没有相对运动,同时允许两个绑定区域有不同的网格划分,无北京化大学顶?学&论文 需考虑节点对齐。本文首先删除接地部分度的胎面,然后采用绑定约束方法 将三维花纹模型的底面和两个侧面与胎体进行装配。花纹轮胎三维有限元模型如 图所示。 图花纹轮胎三维有限元模型 .下 接触边界条件定义 轮胎分析中所涉及的接触主要是轮胎与路面、轮胎与轮辋的接触。传统计算 中通常忽略轮辋,在胎圈处施加相应的边界条件,这样减小了计算收敛的难 度, 但是难以准确描述胎圈部位的应力分布。鉴于此,本文使用接触边界条件对轮胎 进行从装配到滚动工况的一系列计算。在不影响分析结果的情况下.对三维模型 进行适当简化.路面和轮辋简化为刚体,接触类型采用罚函数法,轮胎与轮辋的 接触摩擦系数设为 。轮胎与地面的摩擦系数不是一成不变的,受诸多因素的 .为了简化计算,轮胎与地面的接触摩擦系数取.。 影响 圈?花纹轮胎二维有限元模型 “ 。四第章托纹轮胎有限元模型建立与静力学分析 . 花纹轮胎静态分析装配工况 本文采用轮辋固定,胎圈压入的方法模拟轮胎的装配。装配后轮胎的应力及 位移分布如图所示。从图中可以看出,装配后轮胎发生了较大的变形,胎圈 处的位移最大,并且沿着胎侧向胎冠处呈递减趋势;装配后高应力区分布在胎侧 和胎圈部位,其中胎侧处出现最大应力,这与实际情况相符。 轮胎装配应力分布幽 轮胎装配位移分布图 图轮胎装配应力及变形图.? 充气工况 轮胎装入轮辋后,固定轮辋,给轮胎内表面施加标准气压.来模拟轮 胎的充气工况。充气后轮胎的高应力区主要集中在胎圈部位。另外带束层端部存 在较高的应力,如图。 口口? 嚣毡蓝 图轮胎充气工况应力分布图 . 匕京化大学硕?学位论文 轮胎.的充气压力下,带柬层的应力分布如图一所示,带束层端 部应力较小。中部应力较高但相对均匀。不同充气压力下,带束层应力分布 如图 所示,随着充气压力的提高,最高应力也相对提高,第带束层的最高应力 但随着充气压力的提高,第带柬层中间部位的应力有所降 略高于第带束层, 低,充气压力越大越明显。 蘸 ?第带束层 第带束层 图一带来层应力分布, ? ? ? :弋 ? :,.一?.弋 ” 。 。 斑 屡. &. ” :勤竺 : 】第带束层 第带束层 图?不同充气压力下带来层应力分布曲线? %四? ;三维花纹轮胎静载分析 轮胎模型有效性验证 轮胎充气完成后,给轮辋施加.的作用力模拟轮胎的静载工况。模拟 时,通过路面上移的方式建立轮胎与路面的接触,然后给轮辋参考点施加 的作用力,其径向力和径向位移如图.所示,负荷作用下,轮胎胎侧部位变 形最大。第章花纹轮胎有限元模型建与静力学分析 睡 ” 圈一轮胎径向负荷与径向位移 .虻 为了验证模型的准确性,提取了轮胎在此载荷的下沉量以及负荷下的轮胎半 径以及断面宽度,并且与此型号轮胎的静载实验结果进行了对比,如表所示 表轮胎仿真结果与实验结果对比 ‘对此有限元模型的仿真结果与实验结果对比分析表明,仿真结果与实验结 果 的误差范围很小,吻合度较高,因此该模型准确性较高,模型有效。 ?注:实验结果为某轮胎厂关于,轮胎的性能检测数据。 轮胎等效应力分析” ??北京化大学碗?学位论文 高应变能区位于胎肩处,如图?所 轮胎接地时胎冠区的应变分布中, 示。据此可以推测,轮胎滚动过程中的周期性变形,使胎肩处由于滞后损失产 生 的热量较多,而胎肩较厚,橡胶是热的不良导体,因此该部位散热较慢,致使该 部位容易出现肩空、肩裂等破坏。 ;:、 睡 厕 图一静负荷下胎冠花纹戍力分布 ? 光面轮胎、沟槽轮胎和 图一为轮胎接地断面中带束层橡胶的应力分布, 花纹轮胎带束层部位橡胶的应力分布基本相同,带柬层端部单元的受力最大,其 他部位的应力值有所差异但应力水平相近,因此带束层端点脱层是此部位的主要 损坏形式。 图一轮胎带束层橡胶麻力分布 ‘ ’ 嘻 轮胎带束层是主要受力部件。图?所示为静载荷工况下轮胎第带束层 和第带束层的应力分布,沿带束层宽度方向应力基本成对称分布,且高应力区 集中在带束层的端部,因此带柬层端部疲劳是一种常见的破坏形式。 对比三种轮胎带束层的应力,其分布基本相同,最大应力集中在带束层端部, 中间部分应力较为均匀,但是与胎面接近的第一带束层的整体应力水平有所不 同,花纹轮胎第一带束层的应力水平相对最低,光面轮胎的应力水平相对最 高, 分析其原因,主要是轮胎胎面花纹分担了部分受力。因此,胎面花纹对带束层 的第二章花纹轮胎有限元模型建立与静力学分析 受力有一定的影响,通过合理地匹配带束层和胎面花纹结构,可以减小带束 层的 受力,从而降低轮胎行驶过程中带束层的温度,进而减缓热疲劳老化程度,提 高 轮胎的使用寿命。 。 ? 墨 、 墓 的 。 口 毋囊层直度 第带束层 ? ? ? 幻 .?三捌掇? 蜘 ? 蚰 曩囊层直嚷,?’ 第带束层 图.静载荷下轮胎带束层应力分布 ’ . ...花纹轮胎接地性能分析 静负荷工况下,轮胎与路面接触区域的法向应力分布极不均匀,接地印痕由 圆形逐渐变为蝶形,高应力区集中在胎肩部位和胎冠中部,如图.所示。轮 胎接触地面时,胎冠中部的接触应力最大,随着负荷的增加,接触区域的高应力 区由胎冠中部逐渐向胎肩部位扩展,最后在胎肩部达到最大的法向接触应力。