汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)

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前言

汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖1

這個(gè)案例給出了 “如何對(duì)固體容器包圍的流體進(jìn)行有限元建模 ”的一般方 法,并展示容器上不同的載荷條件對(duì)內(nèi)部流體壓力,體積,密度質(zhì)量等的影響作用。
學(xué)習(xí)此案例可以擴(kuò)展到其他案例,例如,在流固耦合問題中對(duì)流體壓力,體積,密度質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。在實(shí)際工程應(yīng)用中例如: 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸活塞運(yùn)動(dòng)內(nèi)部氣體各項(xiàng)指標(biāo)的變化、氣罐充氣過程模擬 等。
本技術(shù)案例展示了:
  • 輪胎受車輛重力載荷壓縮

  • 輪胎充氣模擬

  • 輪胎與路面接觸模擬滾動(dòng)

關(guān)鍵仿真模擬技術(shù)特征:
  • 流體靜力學(xué)單元的建立

  • 氣體材料模型建立

  • 加強(qiáng)單元使用(REINF265)

計(jì)算結(jié)果

汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖2

輪胎充壓(右)與不充壓(左)變形結(jié)果:

汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖3

輪胎滾動(dòng)模擬變形結(jié)果:

汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖4

模型建立

汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖5

為模擬實(shí)際情況,輪胎尺寸采用小型轎車尺寸建立幾何模型。

一、輪胎模型建立

采用SOLID186實(shí)體單元建立,先建立輪胎2D截面,后通過對(duì)軸旋轉(zhuǎn)成體。

汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖6

二、輪胎內(nèi)氣體模型建立
采用HSFLD242流體靜力學(xué)單元建立,先選擇輪胎內(nèi)壁單元,采用EURF命令在輪胎內(nèi)壁與輪胎中心點(diǎn)之間生成氣體單元。
ESURF, XNODE, Tlab, Shape
!Generates elements overlaid on the free faces of existing selected elements

汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖7

實(shí)際中,輪轂區(qū)域不該存在氣體單元,如圖示,因此指定這部分單元為負(fù)體積氣體單元,以忽略該部分單元的影響。

汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖8


三、輪胎內(nèi)纖維加強(qiáng)模型建立

采用REINF265加強(qiáng)單元建立。選中輪胎外表面單元,采用ereinf命令定義加強(qiáng)單元。

EREINF
!Generates reinforcing elements from selected existing (base) elements.


汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖9


四、輪轂?zāi)P徒?/strong>
輪轂?zāi)P蜑?strong>剛體構(gòu)件,因此采用多點(diǎn)約束模型對(duì)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剛體約束建立,如圖將輪轂上的節(jié)點(diǎn)與輪胎中心點(diǎn)采用多點(diǎn)約束建立剛體約束。

汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖10


五、輪胎與路面接觸模型建立
將輪胎外表面單元定義為CONTA174單元,將路面定義為TARGE170單元,建立面面接觸。

汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖11


材料參數(shù)

汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖12

材料定義主要涉及:輪胎的超彈性材料,氣體材料,輪胎內(nèi)加強(qiáng)纖維材料。

輪胎橡膠材料(Mooney-Rivlin超彈性材料)

汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖13

氣體材料

汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖14

輪胎纖維加強(qiáng)材料(鋼)

汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖15

邊界&載荷條件

汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖16

約束輪胎中心節(jié)點(diǎn)的所有自由,由于輪轂節(jié)點(diǎn)與輪胎中心節(jié)點(diǎn)為剛體約束,也就是說,輪轂被約束。

求解設(shè)置

汽車充氣輪胎的路面滾動(dòng)模擬(流固耦合)(附ANSYS命令流&模型文件)的圖17

/soluantype,trans    
!solcontrol,on,on
pscontrol,all,off
nlgeom,on
trnopt,full, , , , ,HHT
tintp,0.15    !amplitude decay factor or numerical damping

本文載荷加載的關(guān)鍵在于對(duì)流體靜力學(xué)單元(HSFLD242)的理解,篇幅有限,關(guān)于HSFLD242單元這里不詳細(xì)展開,有興趣的朋友可以私信互相交流學(xué)習(xí)。

載荷步1(靜態(tài)):模擬車輛重力,施加1噸重力,靜力學(xué)計(jì)算,關(guān)閉瞬態(tài)效應(yīng)。

這里進(jìn)行非線性計(jì)算需要用cnvto命令設(shè)置收斂值。

timint,off
acel,0.,9810,0.
bf,1,temp,20
nsubst,1,100,1
time,1
cnvtol,f
cnvtol,dvol
cnvtol,u
cnvtol,hdsp
outres,all,all
solve

載荷步2(靜態(tài)):給輪胎充氣

kbc,0d,1,hdsp,0.2482128  !36 psi = 0.2482128 N/mm^2
nsubst,10,100,1
time,2
outres,all,all
solve

載荷步3(靜態(tài)):輪胎下移與路面接觸

d,1026,uy,-50
nsubst,100,1000,10
time,3
outres,all,all
solve

載荷步4(靜態(tài)):移除所有壓力和位移載荷

ddele,1026,uy,,,force    !remove boundary conditionsddele,1026,rotx,,,forceddele,1026,roty,,,forceddele,1026,rotz,,,forceddele,1,hdsp      !remove pressure boundary condition
nsubst,10,100,1
time,4
outres,all,all
solve

載荷步5(瞬態(tài)):施加加速度條件

timint,onkbc,1midtol,on,1.e6  !set high tolerance to allow large increments
d,1026,accz,-1400.0  !acceleration boundary condition
nsubst,10,1000,10
time,5
outres,all,all
solve
finish

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