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淺談基于rebar單元的航空輪胎模型建立與分析論文
航空輪胎是飛機(jī)起落架的主要組成部分，擔(dān)負(fù)著飛機(jī)起飛、著陸和滑行的關(guān)鍵作用，也是飛機(jī)起降時(shí)唯一直接接地的部件。相對(duì)于地面汽車輪胎來(lái)說(shuō)，航空輪胎速度高、負(fù)荷大、充氣內(nèi)壓高的使用特點(diǎn)決定了其必須承受比其他類型輪胎更苛刻的考驗(yàn)。本工作以H44.5×16.5-21型航空輪胎為研究對(duì)象，利用有限元分析方法，對(duì)航空輪胎進(jìn)行仿真分析，研究其各項(xiàng)力學(xué)特性，可用于航空輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化。
1 航空輪胎的建模
1.1 模型的簡(jiǎn)化
航空輪胎的結(jié)構(gòu)及其力學(xué)特征非常復(fù)雜，建立有限元分析模型時(shí)，要綜合考慮輪胎的材料非線性、幾何非線性、接觸非線性，這樣會(huì)導(dǎo)致計(jì)算非常復(fù)雜。因此，在實(shí)際要求允許的情況下，可以對(duì)輪胎模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，以期在收斂的結(jié)果下盡量得出輪胎在充氣載荷下的真實(shí)變形情況。
1)輪胎在充氣、受載荷的過(guò)程中整體受力情況是軸對(duì)稱的，因此在進(jìn)行有限元分析時(shí)，為了簡(jiǎn)化分析和計(jì)算過(guò)程，取斷面的一半進(jìn)行分析，也便于后期計(jì)算的收斂。
2)對(duì)于輪胎充氣過(guò)程的模擬，采用二維軸對(duì)稱模型不但可以反映工況特點(diǎn)，而且還節(jié)約了建模及計(jì)算時(shí)間。
3)在建立二維軸對(duì)稱模型時(shí)，簡(jiǎn)化了輪胎結(jié)構(gòu)的一些細(xì)節(jié)，比如胎面花紋，因?yàn)樗鼘?duì)充氣作用下輪胎分析結(jié)果影響不大。
4)航空輪胎中的胎體簾布層均是簾線橡膠復(fù)合材料，其性能呈現(xiàn)明顯的各向異性。
采用加強(qiáng)筋(rebar)模型。加強(qiáng)筋模型是將加強(qiáng)筋部分和基體部分由加強(qiáng)筋單元和實(shí)體單元來(lái)表示，即在基體單元中包括一層或更多層不同方向的帶束層�；w單元和加強(qiáng)筋單元用的是相同的節(jié)點(diǎn)，沒(méi)有引入附加自由度，不增大計(jì)算規(guī)模。
在ABAQUS中有2 種方法定義rebar單元：一種是直接將rebar單元定義在橡膠實(shí)體單元內(nèi);另一種是先將rebar單元定義在面單元上，再將面單元嵌入到相應(yīng)的橡膠實(shí)體單元內(nèi)。本研究采用第二種方法。
1.2 單元類型的選擇
模擬中單元類型的選擇依據(jù)：
1)作為典型的非線性超彈性材料，橡膠具有不可壓縮或近似不可壓縮的特點(diǎn)，當(dāng)承擔(dān)一定的負(fù)荷時(shí)，橡膠的變形會(huì)很大，而其總體積卻不會(huì)增大，因此不能通過(guò)唯一節(jié)點(diǎn)的特性來(lái)計(jì)算橡膠所受的應(yīng)力大小，所以選擇雜交單元來(lái)模擬，它具有對(duì)附加自由度的應(yīng)力計(jì)算;
2)在接觸計(jì)算中，輪胎對(duì)單元的選擇很嚴(yán)格，因此選取用四邊形單元(二維空間)來(lái)模擬;
3)摩擦接觸計(jì)算中容易出現(xiàn)局部單元扭曲問(wèn)題。與二階單元相比，線性單元能更好地對(duì)局部單元的扭曲進(jìn)行模擬，因此選擇線性單元;
4)由于線性減縮積分單元在進(jìn)行輪胎分析時(shí)，其精度不如完全積分單元精度高，因此不選減縮積分單元;
5)簾布層的簾線方向與輪胎子午線方向呈一定角度，輪胎會(huì)發(fā)生繞旋轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)變形，所以應(yīng)選擇扭曲單元。
綜上所述，所選擇的單元類型為：平面軸對(duì)稱模型中橡膠基體tire單元用CGAX4H(4節(jié)點(diǎn)、雙線性、扭曲、完全積分、常壓力雜交實(shí)體單元)和CGAX3H(3節(jié)點(diǎn)、雙線性、扭曲、完全積分、常壓力雜交實(shí)體單元);rebar單元選SFMGAX1(2節(jié)點(diǎn)、線性、扭曲、軸對(duì)稱膜單元)。
1.3 輪胎有限元模型的建立
通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)測(cè)得單一材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，Yeoh模型對(duì)較復(fù)雜的變形狀態(tài)具有良好的預(yù)報(bào)能力，因此選用Yeoh模型進(jìn)行曲線擬合。H44.5×16.5-21型航空輪胎的二維模型�？偣采晒�(jié)點(diǎn)6 129個(gè)，單元5 942個(gè)。其中包括
2 輪胎的有限元分析結(jié)果
2.1 位移分析
輪胎充氣后的變形圖。充氣結(jié)束后實(shí)測(cè)所得斷面寬為408mm，外直徑為1 122mm。胎冠部分向外突出最明顯，最大位移出現(xiàn)在胎冠處，胎側(cè)處稍微往里收縮，輪胎的胎圈部分基本保持不動(dòng)，胎肩處的變形為前兩者的過(guò)渡。胎面上的輪胎半徑參考點(diǎn)向外擴(kuò)張，沿U1位移31.872mm，充氣后的輪胎半徑為1 079.744mm。斷面寬度測(cè)量點(diǎn)沿U2方向擴(kuò)張，位移為21.248mm，充氣后的輪胎斷面寬度為410.496mm，符合表1中所規(guī)定的輪胎充氣尺寸范圍。與實(shí)測(cè)輪廓相比輪胎變形的趨勢(shì)比較接近實(shí)測(cè)輪廓，能和實(shí)測(cè)輪廓很好地吻合。
2.2 應(yīng)力分析
不含鋼絲圈與含鋼絲圈的輪胎充氣后VonMises應(yīng)力分布。含與不含鋼絲圈的輪胎充氣后最大位移是相同的。在輪胎中鋼絲圈的周向應(yīng)力是最大的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輪胎中其它的部位。這是因?yàn)檩喬嗝鏋椤癈”形開(kāi)口狀，當(dāng)內(nèi)部充氣時(shí)，必須使用周向剛度很大的鋼絲圈來(lái)箍住胎圈，防止其產(chǎn)生徑向移動(dòng)而脫離輪輞，由此可得鋼絲圈是輪胎結(jié)構(gòu)中非常關(guān)鍵的受力部件。
2.3 簾線受力分析
含鋼絲圈的輪胎充氣后簾線應(yīng)力分布。
充氣完成后，簾布層在胎冠部位的周向應(yīng)力也較大。簾布在胎體中為主要受力構(gòu)件，它在周向和子午方向的應(yīng)力比較突出，周向應(yīng)力由胎冠到胎圈有明顯的減小趨勢(shì);而子午方向應(yīng)力在胎肩處比較大，其次是胎冠和胎側(cè)，三角膠處稍微小一些�？梢�(jiàn)充氣輪胎中簾線和鋼絲圈等骨架材料承擔(dān)主要受力部分，橡膠并不是主要受力部件。
2.4 應(yīng)變分析
含鋼絲圈的輪胎充氣后應(yīng)變分布整個(gè)胎體的應(yīng)變比較均勻，厚度方向有顯著的壓縮應(yīng)變，這是由于胎體沿厚度方向的彈性模量比較低，接近于橡膠的彈性模量而造成的。由此可知輪胎在充氣狀態(tài)下胎體厚度有明顯變薄的特征。
3 結(jié) 論
對(duì)比所獲得的充氣輪胎的斷面寬和充氣半徑，符合輪胎的參數(shù)要求范圍，對(duì)充氣后胎面、胎肩、胎踵等各部分的Mises應(yīng)力變化進(jìn)行分析，得出各部分產(chǎn)生的應(yīng)力主要由簾線材料來(lái)承擔(dān)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋼絲圈處。證明了基于rebar單元方法所建立的輪胎模型的有效性。該模型有助于進(jìn)一步分析輪胎的力學(xué)特性。
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