某型航空子午线轮胎刚度仿真分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

轮胎作为地面与飞机起落架之间载荷传递的唯-部件 ，其力学特性是研究飞机地面动力学的关键基础特性之- ，轮胎刚度直接影响起落架的落震缓冲性能及飞机滑跑操纵性能，因此，对轮胎的刚度分析研究具有重要意义。

随着有限元法被引入轮胎研究，考虑轮胎大变形引起的橡胶材料的j大非线性是近年来工作研究热点 。El前 ，利用有限元法对轮胎刚度性能研究取得了很多成果。文献目建立三维有限元模型，分析多种工况下轮胎樱内的力和力矩以及整个轮胎的侧偏刚度 、制动刚度和回正力矩，其未充分考虑橡胶材料非线性。

文 以ABAQUS软件为基础，研究子午线轮胎求解策略并对轮胎结构进行系统的有限元分析。文献 基于橡胶材料非线性特 的基础上，分析简单纵沟槽花纹胎面的轮胎径向、侧向、扭转刚度，其忽略轮胎与轮辋接触摩擦。文献睬 用 MSC.Mrac软件仿真分析复杂胎面花纹对轮胎径向刚度是否有影响。文献[91采用 SOLID92体单元、SOLID45单元 、CONTACT173接触单元和 TARGET170目标单元形成-对面-面接触 ，仿真分析径向、侧向及切向负荷与变形之间的关系。文献l1Ol以 ANASYS为平台，计算了不同载荷、速度条件下负重轮胎的应力-应变常然而，目前国内对轮胎研究作大多针对汽车轮胎进行开展进行，对于航空轮胎的研究分析较少。

以某型航空子午线轮胎为研究对象，充分考虑橡胶材料非线性和接触摩擦，采用 CGAX4H、CGAX3H超弹性单元和 Yeoh橡胶模型，运用 ABA(jIJS软件建立三维光面轮胎模型，进行不同胎压T况下径向刚度和侧向刚度特性仿真分析。

2某型子午线轮胎结构子午线与斜胶轮胎根本区别在于胎体层是由-层或多层径向排列的帘线构成(即帘线角是零度或接近零度)。优点是降低生热、提高使用寿命、减轻轮胎重量、提高翻新率、降低运行成本等。

型轮胎主要是由胎冠 、胎肩 、胎体(18层)和胎圈等部分组成，其结构，如图 1所示。

3轮胎刚度特性3.1径向刚度轮胎的径向刚度是指在规定轮辋和充气压力下，静止轮胎在径向载荷作用下载荷与径向变形之间的关系。飞机在不平整的来稿 日期：2012-07-14基金项目：国家自然科学基金(5105197，51075203)作者简介：杨礼芳，(1986-)，男，江苏兴化人，硕士研究生，主要研究方向：飞行器起落装置设计；魏性，(1978-)，男，河南洛阳人，博士，副教授，主要研究方向：飞行器起落装置设计与分析第5期 杨礼芳等：某型航空子午线轮胎刚度仿真分析 147机场跑道滑跑时，轮胎的径向刚度对飞机起落架落震缓冲性能、摆振稳定性有较大的影响，轮胎具有合适的径向刚度，不仅能保证飞行员和乘客的舒适性，还可以延长轮胎的使用寿命Il。

图 1结构示意图Fig.1 Structure Diagram3-2侧向刚度轮胎的侧向刚度是指在规定轮辋和充气压力下 ，静止轮胎在径向载荷作用下轮胎的侧向载荷与侧向变形之间的关系。侧向刚度是影响机轮动态侧偏特性的主要因素之-，对高速滑跑飞机的操纵稳定性有较大的影响1。

4轮胎的三维非线性有限元模型的建立4.1轮胎模型的简化轮胎是由橡胶和帘布层等多种材料压制而成 ，具有多层结构，其断面形状比较复杂，胎侧和带束层邻接部位，有狭长的几何尖角存在。为下文能顺利画好网格，对轮胎模型做了如下简化：(i)文献嗦 明，胎面花纹对轮胎的静刚度特生影响很校为提高建模效率，文中忽略了胎面花纹；(2)在胎侧和钢丝带束层的邻接部位，将狭长尖角改成倒角：(3)胎侧和翼胶的材料相同且位置相邻 ，把这两部分合并；(4)在三角胶和钢丝圈邻接部位倒圆角，使之平滑过渡。

4.2网格画分采用 HYPERMESH软件对在 AUTOCAD中建立的轮胎二维几何模型进行网格画分～画好的二维网格保存成 ABAQUS命令行文件 (inp文件)，将保存好的文件利用SYMMETRICMODED GENERATION命令生成三维有限元网格。二维和三维网格，如图 2、图 3所示。

图 2轮胎二维有限元模型Fig.2 The Two Dimension Finite Element Model of A Tire图3轮胎三维有限元模型Fig.3 The Three Dimension Finite Element Model of A Tire4.3轮胎材料特性确定轮胎结构的基本材料分为橡胶、纤维和钢丝 ，也可分为具有正交各向同性性质的单-材料和由两种以上基本材料组合而成的复合材料。单-材料如胎面、胎侧、三角胶、胎圈护胶、内衬层、钢丝圈等。复合材料如胎体 、带速层、胎圈、冠速层等。

建模时充分考虑了胎体、带速层 、胎圈等材料的超弹性和各向异性。选用 ABAQUS有限元软件提供的相互作用(Interation)功能拈中嵌入区域约束(Embedded Region)，其加强筋(Rebar)模型能较好的模拟轮胎的复合材料l21〖虑到轮胎的几何形状、载荷条件及其橡胶材料的近似不可压缩性和高度非线性等因素，几何模 型中的 四边形和 三角形 单元分别 采用 CGAX4H和CGAX3H超弹性单元 ，其对应三维空间单元为 C3D8H和 C3D6H体单元。

橡胶属于超弹性材料，其材料特性和几何特性都是非线性的，应力应变关系完全有它的应变能函数给出。为了旧能准确地模拟轮胎力学性能，需要准确地定义这些结构材料。采用能较好模拟橡胶材料大变形时应力-应变关系的Yeoh模型。Yeoh模型方程如下：UC。0(7，-3)C20(7l-3)C30(7。-3)l (je - 1) 1( 1) 音(.， -1)。 (1)式中：C D.( 1，2，3)-Yeoh模型参数；7 -扭曲度量 ； -弹性体积比。

4.4边界条件及加载方式边界条件与试验采用方式基本-致。在对轮胎与轮辋、地面接触边界模拟中，做了如下简化：(1)轮辋和路面定义为解析刚体模型；(2)轮胎与轮辋以及轮胎与地面之间的相互作用均定义为接触摩擦旧，如图 4、图5所示。

图4轮胎与轮辋接触Fig.4 Tire Contact with Rim图5轮胎与地面接触Fig.5 Tire Contact with Road148 机 械 设计 与制 造NO.5Mav.201 3在分析轮胎刚度特性的过程中，其加载方式分为以下四个阶段：(1)自由轮胎充气；(2)考虑到模型计算收敛，首先给路面垂直向上很小的位移，使轮胎和路面平缓接触。

(3)对路面采用施加集中力的方式精确加载到此轮胎规定负荷。

(4)在此基础上，侧向移动路面的位移 40mm，得到侧向力和侧向位移之间的关系。

4.5非线性求解方式在进行轮胎刚度仿真分析时，考虑到几何非线性、边界条件非线性这些特牲，利用 ABAQUSStandard进行非线性分析求解 ，在有限元求解过程中运用牛顿-拉夫森迭代法，将-个分析步分解为多个增量步。当仿真分析过程中出现不收敛情况，需适当减少初始增量步。

5刚度及验证5.1轮胎与轮辋的装配因为二维轮胎模型所采用的是轮胎在 自由状态下的轮廓尺寸，考虑到计算收敛，所以需要先给轮胎两侧胎圈部分沿轴向-定的位移，使之进入轮辋内侧，即轮辋安装过程，再在轮胎气密层施加均匀分布的充气压力，完成轮胎的自由充气，如图 6所示。是充气压力为 0.8MPa的平面内最大应力分布情况。

图6胎压为0.8MPa的Mises应力分布Fig，6 The Distribution of Mises Stress as the InflationPressure Being 0.8 MPa5.2理论估算飞机的质量是通过机体传递到与地面唯-接触的轮胎，因此轮胎的径向剐度和侧向刚度都会影响飞机的滑跑性能。航空子午线轮胎径向刚度、侧向刚度经验公式 日下：F/(P0.o8 )xWx wVWfg2.4[(8/w)-o.3] (2)K，2xW(PO.24 )(1-0.7xalW) (3)式中： (Ⅳ)径 向载荷；只MPa)-充气压力；以MPa)-额定充气压力；W(mm)-横截面断面宽；D(mm)-韶 胎外直径；Ky(N/m)- 侧向刚度。

5.3仿真计算值和理论估算值对比通过仿真试验分析了4种充气压力工况下的仿真计算刚度，其径向刚度和侧向刚度仿真计算值与理论估算值，如图7、图8所示12O0001xxx)O三 80000600o04ooOO2OOOoo04MPa仿真计算值8MPa理论竹鼙随0 8MPa仿真计算值1 0MPa理论估算值1.OMPa仿真计算值1.37MPa理论估算值1.37MPa仿真计算值40 0.05 0.1 0.15占(m)图7不同T况径向刚度特性曲线Fig.7 Characteristic Curves of Radial Stiffness Underthe Different Load Casese(m)图8不同工况侧向刚度特性曲线Fig.8 Characteristic Curves of Lateral Stiffness Underthe Different Load Cases由图中数据可得：(1)径向压缩量约为 50mm5mm时，径向刚度的仿真计算值和理论估算值基本-致 ，相对误差平均±l%；随着径向压缩量增大，误差逐渐增大，均小于 7.85%；相同充气压力下，随着径向压缩量的变化，但误差基本不变。

(2)径向压缩量约为 13mm2mm时 ，侧向刚度的仿真计算值和理论估算值基本-致 ；相对误差平均±0.8%；随着径向压缩量增大，误差逐渐增大，均小于5%；相同充气压力下，随着径向压缩量的变化，但误差基本不变。

结果表明：仿真计算值和理论估算值非秤近，说明所建立的有限元模型可以较好模拟该型航空子午线轮胎的刚度特l生分析。

6结论(1)通过研究表明，采用 ABAQUS中CGAX4H和 CGAX3H超弹性单元建立的该型航空子午线轮胎有限元模型可以较好地模拟其刚度特性。

(2)分析模型将为进-步分析轮胎在飞机起落架地面动力学特性奠定良好的基矗