用Abaqus玩转车轮强度轻轻松松实现有限元分析
发表时间：2025-03-09 17:19:22 来源：行业新闻
利用 Abaqus 有限元分析软件，结合车轮盒轮胎有限元的建模特点，探讨了带有充气轮胎的车轮的有限元建模方法，对充气轮胎在静载和滚动工况下的车轮强度进行了分析，并且与试验结果进行了比较。
车轮是车辆行驶系的重要组成部分之一，起着承载、转向、驱动、制动等作用，车轮的好坏直接影响车辆的使用性能。在当前高品质轮胎产品的开发设计中，工程师已经普遍应用有限元分析技术探讨研究带有轮胎结构的车轮力学问题，希望从分析中获得某些帮助，以便指导新产品的开发，提升产品质量并减少开发成本。但是轮胎本身结构较为复杂，在使用条件下表现出各种复杂的力学现象，轮胎结构有限元分析同时包括几何非线性，材料非线性，接触边界以及各类加载情况和边界变化等问题。所以与其他计算力学问题不同，带有轮胎结构的车轮有限元分析具有特殊性，包括需要仔细考虑材料的非线性应力，大变形，大应变，边界条件的持续变化，材料的复合属性等。Abaqus 软件完全具备上述分析的能力，应用 Abaqus 仿真得出的计算结果与试验结果有良好的一致性，这为车轮产品的开发奠定了基础。
有限元模型使用通用有限元前处理软件 Hypermesh 搭建。车轮的主要组成部分是轮辐和轮辋，对车轮进行离散化时采用尺寸较小的六面体单元进行网格划分，并且保证轮辐和轮辋在交界处的单元节点是耦合的。为了节约运算时间，可以用一维的刚体单元来模拟轮辐周围的螺栓。
相对于车轮，轮胎的建模更复杂，图 1 是实际轮胎的结构。在有限元模型中，最外面的胎面胶用六面体单元描述，胎边胶和内面胶用尺寸较大的壳单元描述，三种胶的材料参数也是不一样的；胎体内部的钢丝层和钢丝环带用壳单元描述；在轮胎胶与钢丝带的交界处的单元节点要求耦合，这样，轮胎就形成了一个封闭的腔体。
此外，由于要模拟车轮在静载下与地面的接触以及在地面的滚动，因此还要建立一个有限的平面，用来描述地面。
车轮和轮胎的有限元的模型如图 2 所示，共 66648 个六面体单元，6534 个壳单元，72731 个节点；在模型性考虑材料非线性和几何非线性问题，兼顾弹塑性材料对计算的影响；轮辐和轮辋的材料是铝合金材料，其屈服强度 380Mpa，抗拉强度 680Mpa，用线性插值法来拟合一条铝合金材料的应力应变曲线，并且赋给相应的单元；模型中涉及的接触类型最重要的包含：CONTACT_PAIR 和SURFACE_ELEMENT。考虑到接触算法的要求，需要调整主从接触面的相对位置，并且确保模型中没有干涉存在。
a.轮胎材料为各项同性材料，材料参数在各类载荷作用下不变，且不考虑温度的影响。
本次仿真考虑两种常用工况，分别是车轮侧撞和地面滚动。在两种工况中，轮胎充气气压为 0.27Mpa，在轮心处施加约束。
在 Abaqus/Standard 的接触分析中有两个主要的困难：在接触条件约束之前部件的刚体运动和接触条件的突然改变，当 Abaqus/Standard 试图去建立所有接触面的准确条件时，它们导致了严重的不连续迭代。因此，只要有可能，就要采取预防措施以避免这一些情况发生。消除刚体运动并不特别困难。只需简单地确认是否有足够的约束以防止在模型中的所有部件的全部刚体运动。这可能意味着应用初始边界条件使部件进入接触状态，而不是直接地施加载荷。应用这个算法可能比原来预计的需要更多的分析步，但问题的求解应该进行的更加平稳。在计算的地面滚动的工况时，采用了多步分析方法。
