如何做好轮胎的设计分析？这两大关键点你必须牢记

导读：轮胎是汽车的重要组成部件，也是橡胶工业最重要的产品。轮胎的主要功能是支承负荷，向地面传递制动力、驱动力和转向力，以及缓冲减振。它对汽车的性能有着十分重要的影响，它不仅影响汽车行驶的安全性、经济性和平顺性，而且影响汽车的环保性能和运输效率。因此汽车各种性能的好坏与轮胎力学性能的好坏有直接关系。

为提高轮胎的使用寿命和承载、牵引、缓冲等性能，轮胎的设计和制造技术一直在不断地发展和改进。但是因为涉及到材料科学、力学和机械工程等多个学科，而且轮胎的力学结构复杂，轮胎的大变形及其与路面的接触等均为强非线性问题，轮胎的理论分析技术的发展艰难且缓慢。随着科学的进步和计算机技术的发展，计算机的控制理论、仿真技术、模态分析、性能预测与估计、优化设计、神经网络理论、多体力学理论、有限元理论以及模糊分析方法等现代科学技术理论正被广泛地应用于车辆动力学与轮胎力学研究领域。

有限元分析方法是轮胎设计分析的基本手段

在轮胎设计评估方面有限元分析方法已经成为轮胎设计和分析所依靠的基本手段，有利于减少或取代部分轮胎试验。它的应用提高了轮胎结构的设计水平和效率，因此如何精确地模拟轮胎的结构、如何建立更真实的轮胎材料模型变成了我们更加关注的问题。

首先重申一遍：有限元分析方法实际上就是一种数值近似的计算方法，其基本思想是把连续系统理想化为有限个单元的**体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题的代数方程组。应用有限元法进行轮胎分析和设计的关键在于力学模型的建立。

轮胎有限元分析中的关键点-非线性

由于轮胎结构及其力学特征极为复杂，在建立其有限元结构分析模型时，要考虑轮胎工作时存在的几何、材料和边界条件的非线性，具体牵涉到建模过程中的单元选择、材料特性、网格划分、载荷和约束条件及求解方法等。

• 几何非线性是指轮胎的柔性结构使其在外力(也包括充气压力)作用下容易发生较大的变形，应变和位移问的关系呈现非线性，在建立模型时，要采用具有大变形和应力硬化功能的单元模拟其几何非线性。

• 材料非线性的主要难点则是非线性材料的本构方程的建立，换而言之是对橡胶材料的本构方程的选取，目前的橡胶本构模型基本上都是基于连续介质力学理论和热力学统计理论而建立的，其中Mooney-Rivilin理论较好地描述了橡胶类不可压缩超弹性材料在大变形下的力学特性，在现阶段橡胶材料分析中得到广泛应用。此外，建立轮胎模型时一般还要对具有强烈各向异性的橡胶-帘线复合材料作特殊处理，如采用加强筋模型构建等。

• 边界非线性是指由于接触体的变形和接触边界的摩擦作用使部分边界条件随加载过程而改变。轮胎的边界条件非线性体现在轮胎与路面的接触及轮胎与轮辋的接触等。

轮胎有限元分析中的关键点-结构力学分析

轮胎的结构力学特性不仅直接与汽车的操纵稳定性、舒适性、动力性以及制动安全性相关，而且对轮胎本身的热力学状态和寿命等也起着决定性的作用，轮胎的温度场分析和疲劳损伤分析也是以此为基础，因此结构力学分析成为有限元法在轮胎设计中应用最广的领域之一。

轮胎结构力学特性包括静态特性和动态特性，静态特性的有限元分析主要包括充气载荷及静态接触问题等，涉及整体及局部变形，内部应力应变分布，载荷-位移曲线，接地面形状、大小和压力及静态刚度特性等。充气压力对轮胎应力分布、接地状态及下沉量有关键性的影响。

在有限元分析中应注意充气载荷导致的大变形。分析发现，轮胎结构中带束层和钢丝圈相对承受较大的应力，而胎侧部位则变形量最大，充气压力升高时，胎冠部位帘线层应力迅速增大，且增幅远大于其他部位。

静态接触问题有限元分析研究的重点是接地状态和下沉量、载荷-变形关系及应力应变分布等，通常也使用逐步加载的方式。按是否考虑地面的变形，这类问题通常分为轮胎一刚性地面接触和轮胎一松软地面接触，但是由于轮胎一地面接触问题复杂，目前还没有模型能够全面表达轮胎一地面接触过程中的所有力学特性。

在一般的接触分析中，轮胎与硬路面刚度相差很大，地面可定义为刚体，既缩短计算时间，也不影响精度。在轮胎一松软地面接触研究中，应用有限元法所面临的困难则集中表现在表层土本构关系的描述及边界条件的正确建立上，因此轮胎周围土壤的压力、应力分布和滑移率都对轮胎与土壤的相互作用有影响。