輪胎股價大漲!高性能子午線輪胎技術改造之Abaqus輪胎建模仿真

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輪胎要漲價

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導讀: 山東財經報道,自2020年12月25日股價企穩回升以來,賽輪輪胎開啟直線攀升模式,截至2月2日收盤,公司股價累計漲幅達到89.27%,賽輪輪胎創出9.88元/股的歷史新高, 市值也一躍突破266億元。
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專家表示 ,近期橡膠、炭黑等上游原材料漲價是推動本輪輪胎漲價的根本因素。外加玲瓏輪胎、正新輪胎、三角輪胎、賽輪輪胎、普利司通、固特異、韓泰等國內外輪胎企業接連發出漲價通知 也刺激了A股市場, 輪胎股行情撲面迎來“大漲 ,賽輪輪胎在股市的良好表現也就是情理之中

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賽輪輪胎公司的董事長/總裁袁仲雪
筆者認為,除了外部因素的推波助瀾,賽輪輪胎股價大漲的根本原因是內部股權調整以及加大 子午線輪胎 生產線的投產 技術改造 不無關系
  • 2020年11月18日,賽輪輪胎年產330萬套高性能智能化全鋼載重子午線輪胎項目在賽輪輪胎沈陽工廠啟動。 
  • 2021年1月,賽輪輪胎曾公告,為進一步提升公司國際競爭力,公司全資子公司賽輪(越南)有限公司擬投資建設三期項目,具體為年產300萬條半鋼子午線輪胎、100萬條全鋼子午線輪胎及5萬噸非公路輪胎項目。項目投資總額30.1億元。 
  • 2021年2月1日,賽輪輪胎又發布公告,擬投資賽輪(濰坊)高性能子午線輪胎技術升級改造項目,項目投資總額7.2億元。山東財經報道注意到,技術升級改造項目建設完成后,賽輪(濰坊)將具備年產120萬套高性能全鋼載重子午線輪胎和600萬套高性能半鋼子午線輪胎的生產能力。
一、高性能子午線輪胎設計與仿真

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今天我 主要講述基于UMESHMOTION子程序進行Abaqus子午線輪胎磨損分析。 希望從仿真技術角度帶領大家認識一下高性能子午輪胎研發工作那些事

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車輛在日常行駛過程中常處于轉彎制動等工況,隨著輪胎行駛里程的增加,輪胎磨損日趨嚴重,輪胎是一個全生命周期的部件,起始狀態到報廢狀態時輪胎的磨損量大約為6mm(達到磨耗標志)。在輪胎使用過程中,磨損不可避免,并隨使用時間的延長而加劇。輪胎磨損會改變胎面形貌、剛度和接觸特性等,進而影響輪胎的動力學性能。
為簡化輪胎磨損測試過程, D.O.Stalnaker等提出了一種輪胎室內磨損模擬的可行方案,
如下圖所示。這種方法首先通過部分室外測試和整車動力學仿真獲取胎面所受道路路面譜等數據,之后利用有限元仿真和轉鼓臺架進行實際道路模擬測試, 結合胎面膠耐磨性能數據,最終實現主要基于室內轉鼓試驗來預測輪胎道路磨損特性的目標。

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輪胎室內磨損測試基本流程
一、 ABAQUS子程序二次開發的軟件配置
在Abaqus進行磨損子程序調用時,首先需要對Abaqus的運行環境進行更改,ABAQUS 的用戶子程序是根據 ABAQUS 提供的相應接口, 按照 FORTRAN 語法用戶自己編寫的代碼。在一個算例中, 用戶可以用到多個用戶子程序, 但必須把它們放在一個以.FOR 為擴展名的文件中。運行帶有用戶子程序的算例時有兩種方法, 一是在 CAE 中運行, 在 EDIT JOB 菜單的 GENERAL 子菜單的 USER SUBROUTINE FILE 對話框中選擇用戶子程序所在的文件即可;另外是在 ABABQUS COMMAND 用運行,語法如下:
ABAQUS JOB=[JOB] USER= [.FOR]

Abaqus子程序的二次開發需要配置IVF和VS,網上有各種配置版本,在此不再贅述。本次課程所采用的配置為ABAQUS2020+Visual Studio 2019+Intel Parallel Studio XE 2020。接下來,便開始講述Abaqus 2020& Visual Studio 2019 & Intel Parallel Studio XE 2020配置

  • 首先建立一空白文件命名為aba-vs-for.bat

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  • 打開后,輸入Call+空格,在桌面右下角開始菜單欄找到右圖所示,右鍵點擊屬性,對其目標處進行復制,如下所示:

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  • 將其復制到aba-vs-for.bat剛剛輸入的后面:call %comspec% /k "D:\VS2019\VC\Auxiliary\Build\vcvarsamd64_x86.bat“
  • 然后打開如下:右鍵點擊屬性,同樣復制到aba-vs-for.bat文件

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  • 將其復制到aba-vs-for.bat剛剛輸入的后面:call %comspec% /k "D:\VS2019\VC\Auxiliary\Build\vcvarsamd64_x86.bat“
  • call C:\Windows\System32\cmd.exe /E:ON /V:ON /K ""D:\intel parallel studio xe 2020\compilers_and_libraries_2020.4.311\windows\bin\ipsxe-comp-vars.bat" intel64 vs2019“
  • 最后輸入pause

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  • 點擊保存,以管理員身份運行aba-vs-for.bat

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  • 接下來關聯ABAQUS,以下順序按自己電腦存儲位置進行:
  • C:\SIMULIA\Commands\abq2020,將剛剛復制的兩個目標復制其內即可。

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  • 以管理員身份運行abaus verification,查看verify.log文檔:出現全PASS即成功:
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  • 在隨意空白處cmd:abaqus information=system,可以看到Fortran配置成功

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二、Fortran語言書寫規則
  1. 程序中的變量名,不分大小寫;
  2. 變量名稱是以字母開頭再加上1到5位字母或數字構成,即變更名字串中只有前6位有效;
  3. 一行只能寫一個語句;
  4. 程序的第一個語句固定為PROGRAM 程序名稱字符串
  5. 某行的第1個字符至第5個字符位為標號區,只能書寫語句標號或空著或注釋內容;
  6. 某行的第1個字符為C或*號時,則表示該行為注釋行,其后面的內容為注釋內容;
  7. 某行的第6個字符位為非空格和非0字符時,則該行為上一行的續行,一個語句最多可有19個續行;
  8. 某行的第7至72字符位為語句區,語句區內可以任加空格以求美觀;
  9. 某行的第73至80字符位為注釋區,80字符位以后不能有內容。

在進行子午線輪胎磨損分析有限元仿真時,需要進行二維輪胎有限元分析前處理、二維輪胎充氣仿真分析、三位輪胎的生成及充氣負載分析、穩態滾動分析等。
三、子午線輪胎有限元前處理    

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同時,建立NADAPT及NADAPT_LAGR節點集合,供后續磨損分析inp文件編寫及FOR子程序使用。

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1、二維子午線輪胎充氣分析
仿真條件如下: 充氣壓強: 0.2 MPa

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2、三維子午線輪胎生成及充氣負載分析
仿真條件如下: 充氣壓強: 0.2 MPa, 負荷為3300N
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3、子午線輪胎穩態滾動仿真分析
仿真條件如下: 充氣壓強: 0.2 MPa 負荷為3300N,穩態滾動線速度為60Km/h。 聲腔 采用自適應網格劃分。
穩態滾動使用隱式算法分析輪胎與地面間的滾動接觸問題。Abaqus/standard 提供的穩態傳輸(STEADY STATE TRANSPORT)分析方法可以快速準確地對穩態滾動輪胎進行模擬仿真(輪胎實際上是不滾動的,只是內部材料的流動(歐拉-拉格朗日法))。這種穩態傳輸能有效的完成包括摩擦效應、慣性效應及與時間相關的黏彈性材料傳輸等分析。

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四、UMESHMOTION子程序介紹

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其中, ULOCAL:為需要定義的量,該量一般定義的是燒蝕率、磨損率等,和Vuamp中的AmpValueNew一樣將該量傳遞給abaqus.
子程序使用一些個實用程序,用來提取每一個增量步結束后計算結果中的節點值。
  1. GETVRN:獲得節點信息,如節點溫度、坐標、位移等;

  2. GETVRMAVGAINODE:獲得節點處平均材料積分點的信息,如應力等;

  3. GETNODETOELEMMCONN:獲得指定節點的單元列表;

  4. GETPARTINF0 :獲得節點處的部件信息。
以上引用格式為:
如: CALLGETVRN (NODE, 'VAR', ARRAY, JRCD, JGVBLOCK, LTRN)
比如,需要獲得節點的溫度值,則為:
CALLGETVRN (NODE, NT, ARRAY, JRCD, JGVBLOCK, LTRN)
ARRAY為獲得節點溫度的具體數值,
ABAQUS幫助文檔中的磨損本構公式: 
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五、磨 損過程的實施
利用表面消融速度形式的磨損率表達式,現在可以將磨損應用于穩態傳輸分析中。用戶子例程 UMESHMOTION用于指定輪胎外表面上的節點處的消融速度矢量。UMESHMOTION定義了自適應網格約束速度,并與自適應網格劃分結合使用,自適應網格劃分是在每個收斂增量的末尾應用的網格平滑技術。通過用戶子例程指定的消融速度應用于胎面表面節點,并且自適應網格平滑調整了內部胎面區域中的節點以維持形狀良好的網格。
為了累積每個胎面流線周圍的磨損量,沿流線的節點編號方案必須記錄在用戶子例程中。該記錄是在一組通用塊變量中完成的。公用塊記錄了屬于節點集NADAPT且位于完整模型的參考橫截面(0°)處的節點。通用塊變量還包括為對稱模型生成指定的節點編號偏移量,該偏移量與參考橫截面定義一起完全描述了胎面表面節點編號。需要在外部公共塊中定義以下變量:
  • nStreamlines:施加磨損的參考部分(完整模型)上的節點數。

  • nGenElem:模型中沿流線的扇區或元素劃分的數量。

  • nRevOffset:作為旋轉對稱模型定義的一部分而指定的節點偏移量。

  • nReflOffset:作為反射對稱模型的定義的一部分而指定的節點偏移量。(如果未反映模型,則將此參數設置為零)。

  • jslnodes:包含所有可能在參考部分磨損的節點的必需節點信息的數組。這是一個大小為(2,nStreamlines)的數組 。對于每個流線,第一個組件是“根節點”的節點號(以下討論中的節點a),它是參考部分上該特定流線上的節點。第二個組件是提供磨損方向的節點(節點b在下面的討論中)。僅胎面拐角節點才需要第二部分。將其設置為等于定義磨損方向的參考部分上的節點編號。對于不在胎面拐角處的節點,將第二個數組分量設置為零。對于遠離胎面拐角的這些節點,磨損將與局部3方向相反。

六、磨損方向
磨損率 H˙用作網格約束矢量變量 ULOCAL的分量。該變量將使用在局部坐標系ALOCAL中定義的默認網格平滑運動傳遞到用戶子例程中,該運動會反映當前節點上表面法線的度量。3方向定義為向外法線的方向,并且基于節點附近元素構面法線的平均值。
在大多數情況下,將磨損描述為與該方向相反會導致消融或淋巴結衰退,就足夠了。但是,在胎面拐角處,該平均法線無法提供準確的磨損方向。適當的法線所示 ,其計算如下:假設a是胎面的拐角節點。可以識別出沿著胎面邊緣的節點 b。在這種情況下,磨損方向由矢量ab給出。通過知道a和 b的坐標,可以在整體坐標系中計算磨損并將其旋轉到局部坐標系(ALOCAL)方向。
以下為輪胎磨損inp文件的編寫:
*HEADING*restart,read*STEP,INC=300,NLGEOM=YES,UNSYMM=YES 2:  ABLATION*STEADY STATE TRANSPORT,INERTIA=YES 3.6E5, 3.6E6, , 3.6E5*RESTART,WRITE,FREQ=1*print,contact=yes,adapt=yes*adaptive mesh,elset=TREAD,FREQ=1,MESH=4*adaptive mesh constraint,type=velocity,userNADAPT,1,,5.555555E-14*adaptive mesh constraint,constraint=lagrangianNADAPT_LAGR,*END STEP
輪胎模型的運行時間為3.6×10 6 s,即1000小時,相當于以60 km / h的速度運行60,000 km。

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下為注釋版:
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Cmd命令: abaqus job=treadwear oldjob=step3_rolltire user=treadwear int cpus=4
磨損狀態與未磨損狀態CPRESS、CPRESSERI對比:
1、未磨損狀態:

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2、磨損狀態:

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磨損狀態RF1變化曲線:
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以上為子午線輪胎磨損分析的所有內容

注意磨損分析前計算inp文件以及UMESHMOTION子程序FO件、注釋版FO件在附件中。


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