有限元分析在轮胎结构设计中的应用

第ｌ１期　朱振华等．轿车子午线轮胎结构设计有限元分析及方案优选　６５１　

轿车子午线轮胎结构设计有限元分析及方案优选　

朱振华　，李治国　，王友善　，房新法　

（１＿杭州中策橡胶有限公司，浙江杭州３１０００８；２．哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，黑龙江哈尔滨１５ＯＯ８Ｏ）　

摘要：应用哈尔滨工业大学开发的ＴＹＳＹＳ有限元分析软件，对Ｐ２６５／７５Ｒ１６轿车子午线轮胎的４个不同设计方　案进行分析，根据具体评判准则确定最佳设计方案，并通过高速和耐久试验验证分析结果。结果表明，本研究采用的　评判准则是适合的，理论分析与试验结果相吻合。　关键词：轿车子午线轮胎；结构设计；优选；有限元分析　中图分类号：Ｕ４６３．３４１　．４／．６；Ｏ２４１．８２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００６—８１７１（２０１０）ＩＩ～０６５１—０６　

目前，随着我国汽车工业的飞速发展，轿车已　

经进入千家万户，成为普通家庭的代步工具。轮　

胎是汽车的一个重要安全部件，直接影响汽车的　

使用性能。随着汽车的不断发展以及性能的不断　

提高，汽车厂家和用户对轮胎性能的要求越来越　

高，轮胎结构设计也面临着新的挑战。　

计算机科学技术的飞速发展和广泛应用使有　

限元分析技术在各种复杂工程问题中的应用愈来　

愈显示出其不可比拟的优越性。轮胎结构的分析　

方法也从简化的轮胎模型分析，如网络理论、薄膜　

理论、薄壳理论和层合理论＿ｌ　等，向数值模拟方向　

发展。有限元分析技术能够定性、定量地分析轮　

胎结构设计的优劣、优化产品结构设计及减少产　

品开发风险等，目前已在轮胎行业中广泛应用。　

唐萌等乜］应用通用有限元分析技术分析了同　

一规格３种不同结构设计的轿车子午线轮胎，分　

析结果可用于结构设计优选。闫相桥等口棚建立　

了一个轮胎结构有限元分析模型，并探讨了这种　

轮胎有限元分析模型在轮胎结构优选中的应用。　

闰相桥等　采用有限元分析技术对轮胎接地压力　

分布、接地面积及接地形状进行计算，数值计算结　

328 轮　胎　工　业 2023年第43卷

免充气空心轮胎的设计思路

王明江，马庆丽*

（江苏江昕科技股份有限公司，江苏 邳州 221316）

摘要：介绍免充气空心轮胎的设计思路。结构设计包括空腔结构设计、有限元分析和动力学方法、力学分析结合试

验检测方法；配方设计包括无机粒子/橡胶复合材料的补强新机制、改性高分散白炭黑的应用、高性能低生热高导热高分

子复合材料等。指出现有免充气空心轮胎材料的应用和配比研究还只能使其在中低速车辆上应用，未来将加大在中高

速车辆上应用的研发力度。关键词：免充气空心轮胎；结构设计；配方设计；空腔结构；有限元分析；白炭黑

中图分类号：U463.341 文章编号：1006-8171（2023）06-0328-03

文献标志码：A DOI：10.12135/j.issn.1006-8171.2023.06.0328

作者简介：王明江（1950—），男，江苏邳州人，江苏江昕科技股

份有限公司董事长，教授级工程师，主要从事免充气轮胎研究和企

业管理工作。

*通信联系人（）自轮胎发明以来，人们在生产生活中使用的

大都是普通充气轮胎，这种轮胎容易漏气、爆胎、

不抗枪击，特别是车辆在高速运行时，会因为突然

爆胎出现车毁人亡等重大安全事故。国内外多家

科研机构和轮胎企业投入了大量的人力、财力、物

力，力图解决轮胎的免充气和安全问题[1-3]。

我公司研发的免充气空心轮胎较好地解决了

充气轮胎易漏气、爆胎的安全问题。以下对免充

气空心轮胎的设计思路作简要介绍。

1　免充气空心轮胎结构设计

1.1　空腔结构设计

在轮胎内腔设计了由韧带和支撑架形成的由

多组空腔组成的结构（见图1）。该结构兼顾了弹性好、滚动阻力低与承载能力强、导热快的优点；

解决了免充气轮胎结构复杂、制造成本高、生产工

艺难度大、设备复杂系数高以及性能不稳定等技

术难题，同时也解决了现有非充气轮胎在高速下

散热慢及重载变形等技术问题，为高性能免充气

轮胎设计提供了新思路。

1.2　有限元分析和动力学方法

汽车轮毂有限元分析

第⼆章理论基础与模型建⽴2.1 有限元技术及UG软件

2.1.1 有限元法基本原理

计算机辅助⼯程CAE(Computer Aid2ed Engineering) 指⼯程设计中的分析计算与分析仿真, ⽽有限元法FEM( FiniteElement Method)是计算机辅助⼯程CAE中的⼀种, 另外CAE还包含了边界元法BEM(Boundary Element Method) 和有限差分法FDM( Finite DifferenceMethod) 等。这⼏种⽅法各有其优缺点, 各有其应⽤领域,但有限元法的应⽤最⼴。

有限元法是求解数理⽅程的⼀种数值计算⽅法，是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合在⼀起的⼀种数值分析技术，是解决⼯程实际问题的⼀种有⼒的数值计算⼯具。有限元是⼀种离散化的数值⽅法。离散后的单元与单元间只通过节点相联系, 所有⼒和位移都通过节点进⾏计算。对每个单元选取适当的插值函数,使得该函数在⼦域内部、⼦域分界⾯上(内部边界) 以及⼦域与外界分界⾯(外部边界) 上都满⾜⼀定的条件。然后把所有单元的⽅程组合起来, 就得到了整个结构的⽅程。求解该⽅程,就可以得到结构的近似解。离散化是有限元⽅法的基础。必须依据结构的实际情况,决定单元的类型、数⽬、形状、⼤⼩以及排列⽅式。这样做的⽬的是将结构分割成⾜够⼩的单元,使得简单位移模型能⾜够近似地表⽰精确解【13】。

因次它可以对各种类型的⼯程和产品的物理⼒学性能进⾏分析、模拟、预测、评价和优化,以实现产品技术创新, 故已⼴泛应⽤于各种⼒学、电学、磁学及很多结合学科领域; 同时, 由于它能够处理耦合问题, 使得其有更⼤的应⽤前景。你可以从专业的⾓度理解有限元:包括变分原理、等效积分和加权余量法等, 也可以从直观的意义上理解有限元: 把连续体划分为⾜够⼩的单元, 这些单元通过节点和边连接起来,通过选择简单函数(⽐如线形函数) 来近似表达位移或应⼒的分布或变化, 从⽽得到整个连续体物理量的分布和变化【14】。2.1.2 有限元法分析过程

论文题目：钢筋混凝土有限元分析技术在结构工程中的应用

学生姓名：***

学 号：**********

学 院：建筑与工程学院

2015年06月30日 有限元分析在钢筋混凝土结构中的应用

【摘要】在国内外的土木工程中，钢筋混凝土结构因具有普遍性、可靠性良好 、操作简单等优点，而得到了广泛的应用。钢筋混凝土结构是钢筋与混凝土两种性质截然不同的材料组合而成，由于其组合材料的性质较为复杂，同时存在非线性与几何线形的特征，应用传统的解析方法进行材料的分析与描述在受力复杂、外形复杂等情况下较为困难，往往不能得到准确的数据，给工程安全带来隐患。而有限元分析方法则充分利用现代电子计算机技术，借助有限元模型有效解决了各种实际问题。

【关键词】有限元分析；钢筋混凝土结构；应用

随着计算机在工程设计领域中的广泛应用，以及非线性有限元理论研究的不断深入，有限元作为一个具有较强能力的专业数据分析工具，在钢筋混凝土结构中得到了广泛的应用。在现代建筑钢筋混凝土结构的分析中，有限元分析方法展现了较强的可行性、实用性与精确性。例如：在计算机上应用有限元分析法，对形状复杂、柱网复杂的基础筏板，转换厚板，体型复杂高层建筑侧向构件、楼盖，钢-混凝土组合构件等进行应力，应变分析，使设计人员更准确的掌握构件各部分内力与变形，进而进行设计，有效解决传统分析方法的不足，满足当前建筑体型日益复杂，工程材料多样化的实际情况。 但是在有限元分析方法的应用中，必须结合钢筋混凝土结构工程的实际情况，选取作为合理的有限元模型，才能保证模拟与分析结果的真实性、精确性与可靠性。

在钢筋混凝土结构工程中，非线性有限元分析的基本理论可以概括为：1）通过分离钢筋混凝土结构中的钢筋、混凝土，使其成为有限单位、二维三角形单元，钢箍离散为一维杆单元，以利于分析模型的构建；2）为了合理模拟钢筋、混凝土之间的粘结滑移关系，以及裂缝两侧混凝土的骨料咬合作用，可以根据实际需要在钢筋、混凝土之间，以及裂缝两侧的混凝土之间设置相应的连结单元；3）结合钢筋混凝土结构的材料性质，选用与各类单元相适应的本构关系，即应力应变关系，此类关系为线性或非线性均可；4）与一般的有限元分析方法相同，非线性有限元分析也需要确定各单元的刚度矩阵，并且将其组合为钢筋混凝土结构的整体刚度矩阵，根据结构所受到的各种荷载作用与约束，计算出有限元结点的位移情况、单元应变与单元应力等。随着荷载作用的不断加强，可以得到钢筋混凝土结构开始受荷直至完全破坏过程位移、应力、应变、裂缝的实际形成与发展情况，以及钢筋、混凝土结合面的粘结滑移，钢筋的强化与屈服，混凝土压碎破坏等数据与信息。