国家重奖+9亿营收！ABAQUS超弹性材料仿真设计大有可为

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7月16日国家知识产权局第二十一届中国专利奖揭晓，专利作为国家、企业长期良性发展的基础，专利奖的分量不言而喻。

而在此次的颁奖中，笔者感触最深的还要说一说由万力轮胎申报的“一种ABAQUS轮胎模型中rebar单元网格的自动生成方法”，这一专利从2400余个参选专利中脱颖而出，成为了轮胎行业唯一上榜中国专利优秀项目橡胶企业名单的重磅专利。

值得注意的是，虽然万力轮胎不是ABAQUS软件的研发者，但其在使用过程中，成立专门的轮胎仿真团队，不断突破仿真项目技术瓶颈，为轮胎行业解锁了更多、更前沿的技术可能。

目前应用这一技术的产品，销售额已超过9亿人民币（截止2018年底），可谓是非常骄人的成绩。

作为一个专注于ABAQUS超弹性材料仿真分析的老兵，居工我深深感觉到“ABAQUS超弹性橡胶材料仿真设计大有可为”。

汽车轮胎设计中的ABAQUS有限元分析

轮胎作为联结汽车车身与道路的部件，其不仅影响汽车行驶中的安全性、经济性、平顺性以及舒适性，还在汽车的环保性能和运输效率方面起着非常重要的作用。可以说一部汽车各种性能的好坏与轮胎力学性能的好坏具有直接关系。随着汽车工业与高速路的迅猛发展，对轮胎的各项性能也提出了越来越高的要求，研发性能更优越的轮胎成为轮胎企业在市场竞争中脱颖而出的关键因素。

纵观轮胎的发展历程，其很大程度上依赖于理论基础和生产技术的进步。由最初主要基于简单力学理论的经验设计阶段，逐渐进入基于非自然平衡轮廓理论的半经验设计阶段，目前，轮胎工业借助计算机技术进入了智能化和自动化设计阶段。

由于轮胎结构及其复杂，轮胎力学特征相当复杂、各组成部分材料属性也很复杂，所以直到20世纪中后期，有限元分析才在轮胎的工程设计和力学分析中得到了广泛应用，有限元法可以仿真出轮胎的是不同工况下的实际形状，实现对采用不同材料的轮胎各部位能进行仿真计算，特别是针对轮胎在垂直荷载作用下的应力与应变问题、非对称性荷载作用下轮胎的接触问题、接地区域的压力分布问题以及动态下的应力——应变场等问题都可以借助有限元分析解决。

下面以子午线轮胎为例，讲��充气轮胎的装配过程和充气过程的有限元仿真分析。

1、分析模型建立

正如前文所说，轮胎结构复杂，各组成部分材料属性也很复杂，所以在建立轮胎结构的有限元分析模型时，必须考虑轮胎工作时存在的几何非线性、材料非线性及接触非线性。另外为了简化计算过程，减少计算耗时，还需要对轮胎进行合理的简化处理，使建立的有限元模型既能反映出在轮胎各种工况下的变形特征，也可以降低计算收敛难度、节约时间。本文中做出如下简化：

1、忽略轮胎横向纹路，将三维模型转化为二维轴对称模型；
2、省去了轮辋与其相应结构；
3、采用加强筋模型模拟带束层和帘线层。

2、网格划分及所选择单元类型

在有限元分析中网格划分是非常重要的环节，仿真模拟结果的收敛性的好坏、计算精度及计算时间的长短都受网格划分优劣的影响，如果网格划分的都是正多边形和正多面体这种理想形状的单元，例如等边三角形单元，正方形单元，立方体单元等等，这样的单元可以减少或者避免ABAQUS计算刚度矩阵时出现错误以及误差。本实例中轮胎选用二维轴对称模型建立，其橡胶基体的单元类型为CAX4H单元，针对带束层和帘线层采用SFMAXl单元。

3、装配载荷

模拟轮胎过盈装配，对护胶施加载荷，通过其装配动画、应变云图和接触压力云图，查看其装配状态。由云图可以看出，护胶与轮辋接触紧密，且应变最大的部分为胎侧，这是由于胎侧相对较为柔软，易发生形变。这也与实际变形情况吻合。

4、充气载荷

对装配好的轮胎模型施加充气载荷，轮胎充气载荷主要受作用在轮胎内壁的充气压力，对轮胎施加0.24MPa的气压后，轮胎的形状发生了相应的形变，胎侧向外膨胀，胎冠略向上移，变形主要发生在轮胎的胎侧部分，胎冠变化小于胎侧，胎肩两侧基本不变，与实际生活中轮胎充气过程相比，其变形情况比较符合。

与装配阶段对比，忽略与轮辋接触位置，充气后轮胎应力多集中与胎肩位置，且胎侧处有应力集中带，相较于胎冠位置，胎侧应力较大，这也从侧面说明了轮胎在使用的时候，胎侧更容易损坏，另外，观察路径上的应力分布发现，轮冠处应力：S11>S22,而轮侧处应力：S22>S11，且均为负值，即轮胎整体受力状态一致，均处于受拉状态。

5、小结

本实例在轮胎的建模中考虑了轮胎带束层、帘线层是由橡胶基体与钢筋材料构成帘线——橡胶复合材料，在模拟时采用定义rebar的加强筋模型，这种方法能够更好的表现出带束层中的应力应变情况。分析时充分考虑轮胎模型的材料非线性、几何非线性以及接触非线性，以及针对主要分析问题，简化分析模型。针对轮胎的装配过程和充气过程进行仿真模拟。

由云图得出：轮胎充气后，胎侧向外膨胀，位移和应力均较大；胎冠略向上移，应力较胎侧较小；胎肩两侧位移基本不变，轮胎整体处于受拉状态。

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首次发布时间：2020-07-23