方「圓」之間,馳騁天下 | 達梭系統Abaqus對於輪胎結構設計有何實際效益?

本文節錄自凱思軟件諮詢顧問李曉輝微信公眾號

大多數人對輪胎的印象是一個黑色的、環形的、中空圓筒,且一般認為輪胎是低技術產品,並只根據價格决定是否購買。而懂得輪胎生產製程或有機會參觀生產工廠的人則會瞭解,一條標準轎車輻射層輪胎由十幾種甚至二十多種零件構成,並且需要借助很多大型生產設備,具有非常複雜的工序。其實輪胎是車輛上的唯一接地零件,支撑和傳遞車輛的各種受力。車輛的操穩性、平順性等性能必須通過輪胎作為媒介才能體現出來,因此車輛設計時會對輪胎提出各種性能要求。輪胎使用性能要求一般包括:承載負荷性能、操縱穩定性、行駛安全性、附著與牽引性能、耐久性、節能經濟性、高速性能、乘坐舒適性、低噪聲性能等。

“充氣輪胎力學”主要是對輪胎結構與性能中所呈現出的力學問題進行研究,是一個跨學科的研究領域,因此需要兼具輪胎產品和力學兩門知識的專業人員結合起來進行科學研究。對於輪胎模擬分析工程師來說,不僅需要對輪胎在靜態和動態狀况下所承受的各種作用力及其變形特性有所瞭解並掌握這方面的科學知識,還應該熟悉輪胎結構力學的基礎理論並應用之。

作為物理試驗研究方法的有效補充,有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)技術已經被廣泛應用於輪胎的力學分析,它打破了傳統理論幾十年來停滯不前的局面,有利地促進了結構設計理論的發展,使輻射層輪胎結構設計向更精確的定量設計邁出了一大步。輪胎研發人員可以根據模擬分析結果在研發階段早期即對產品的一些性能進行預估或驗證,定性或定量地新產品開發和老產品改進,降低物理試驗的次數和成本,縮短研發周期,進而增强企業的市場競爭力。

輪胎的主要材料是各種橡膠,輔以各種簾線,如鋼絲簾線、尼龍簾線、聚酯簾線等。橡膠材料具有非常複雜的材料性能,除了强烈的非線性性能以外,其還表現出一定的溫度相關性,時間相關性,粘彈性行為和Mullins效應。同時橡膠材料工作過程中都會經歷大的變形,甚至零件自身的相互作用,因此橡膠材料的有限元分析具有相當的困難。

輪胎結構力學的有限元分析是一種典型的非線性組合問題,需要考慮材料、幾何和邊界條件的各種非線性因素,處理非線性問題表現優異的有限元軟體Abaqus幾乎已經成為領先輪胎企業研發人員的標配。對於純橡膠零件,Abaqus的橡膠材料本構非常完備,而對於簾線-橡膠複合零件,Abaqus也可以通過層合殼模型和加强筋模型進行描述。Abaqus軟體的幫助文檔中更是具有完整的輪胎分析實例,是輪胎模擬分析工程師入門的絕佳利器。

Abaqus在輪胎有限元分析中的應用包含高速性能分析(胎肩部位應力分析等)、耐久性分析(胎圈應力分析、穩態/瞬態溫度場分析等)、操控性分析(側偏性能分析等)、NVH分析(模態分析、剛度分析等)、磨耗性能分析(接地形狀、接地壓力分布等)、裝配性能分析(輪胎接觸壓力分布、裝配壓力等)等。

雖然輪胎有限元分析還存在一些問題需要優化解決,但是不可否認的是,有限元分析技術具有很多物理試驗不可替代的優勢,並已經成為輪胎產品研發的一種重要方法。

基於3DEXPERIENCE平臺的SMARTYRE解決方案

業內分析師預測,到 2030 年,全球車輛行駛里程將翻倍,達到 20 萬億英里。隨著電動車輛和自動駕駛車輛的移動性變化,輪胎需求很可能會隨之增加。因此,輪胎製造商一直在尋求滿足客戶需求、優化其供應鏈、加快創新以保持競爭力、更好地管理原材料(性能和成本),以及通過降低生產成本來提高運營利潤率。

SMARTYRE 解決方案使輪胎製造商可以在他們最擅長的領域花更多時間:設計、驗證和製造一流的輪胎,並將自己轉型為移動出行提供商。依托此解決方案,輪胎製造商可以串聯材料科學、輪胎工程設計和製造等環節,形成一個閉環,從而消除企業摩擦,促進創新。

基於 3DEXPERIENCE 平臺,SMARTYRE解決方案使輪胎製造商能夠準確地專注於整合設計和模擬分析環境、製造運營和材料管理。依托 SMARTYRE 解決方案,輪胎製造商可以在全球範圍內占有一席之地 – 從設計到工業化,再到製造執行到服務和運營,業務遍地開花。

 

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