輪胎充氣的案例
看國內在無充氣輪胎的3D打印方面的探索
3D科學谷 Review
不像傳統的輪胎那樣需要空氣，無充氣輪胎可以具有同樣的承能力、舒適性和安全性。傳統的充氣輪胎已經統治了汽車界百余年的時間，而且我們已經習慣了這種充氣輪胎的存在。但是，充氣輪胎一旦爆胎，將是十分危險的事情，尤其是對于高速駕駛情況來說。
無充氣輪胎是一種不依靠空氣實現支撐力的輪胎。現在的大多數輪胎通過物質結構來實現輪胎的支撐與緩沖，這樣就從根本上解決了爆胎情況的發生。
米其林無充氣輪胎VISION項目于2016年秋季就開始了。CIB的路線圖很簡單：想象一下象征著未來技術的輪胎，它包含了融合技術，并提供符合米其林集團4R戰略和米其林價值觀的環保追求。用輪轂和輪輻這種既簡單又創新的設計取代了以前只有靠氣壓才能體現其性能的充氣輪胎 。靈活的輪輻與可變形的車輪融合在一起能不可思議地起到減震的功效。
通過3D打印機，可以將輪胎打印出來，并使用適量的橡膠。此外，可以根據需要延長其使用壽命的設計，從而確保所有環境下的正常工作。通過優化胎面設計，減少其深度，以減小其厚度，還可以使輪胎在材料方面更有效率。
根據3D科學谷的市場觀察，通過3D打印無充氣輪胎不僅是無充氣的概念價值，更在輪胎的胎面花紋，輪胎的材料方面帶來了新的拓展空間。3D打印無充氣輪胎的商業價值如何？3D科學谷將保持持續的市場研究與關注。
來源：3D科學谷
展開 ABAQUS三維輪胎充氣滾動案例
圖4 輪胎裝配
2 充氣
對輪胎充氣通常有兩種方法：均布壓力法與流體腔法。均布壓力法即對輪胎內側表面法向上施加壓力，達到充氣的目的，大多數汽車仿真即采用該方法對汽車輪胎進行充氣。流體腔法通常用于模擬充滿液體或氣體的結構，可反映由于受到結構變形影響，本工作選用流體腔法對輪胎進行充氣。
定義流體腔時，首先定義一個參考點與一個完全封閉的表面。參考點作為流體腔關聯的腔體參考節點，用于標識流體腔。完全封閉表面用于指定流體腔邊界，其表面法線指向流體腔內部。流體腔定義如圖5所示，P2即為所選參考點，表面選擇輪胎內表面。
圖5流體腔表面與參考點定義
3 滾動設置
在輪胎下方放置一平面，平面與輪胎最低點距離應大于充氣后輪胎底部膨脹位移，平面與輪胎間摩擦力為0.05。仿真總共采用三個分析步進行：第一個分析步采用一般靜力分析，對輪胎施加壓力為0.618 MPa的內壓與重力，并約束輪胎中心點6個方向的自由度（輪胎中心點已與輪輞部分動態耦合，可通過控制輪胎中心點的運動來控制整個輪胎的運動）；第二個分析步采用隱式動力學分析，解開輪胎中心點x方向、y方向的位移約束與繞z軸方向的轉動約束，賦予輪胎x方向8 m/s與y方向1.5 m/s（對應于輪胎在113.9mm高度落震時的沖擊速度）的速度；第三個分析步采用隱式動力學分析，取消施加在輪胎上的速度，控制輪胎以上述初速度撞擊甲板，觀察響應。滾動模型如圖6所示。
圖6輪胎滾動有限元模型
4 結果
輪胎充氣位移云圖如圖7所示，在靠近輪輞處的胎壁位移較大，最大為12.81 mm，而在胎面處的位移變化則較為不明顯，僅2 mm左右，胎壁與胎面在充氣后各自位移的變化情況與文獻[1]中機輪充氣后的位移云圖有較好的一致性。
展開 案例24-充氣滾動輪胎的靜水壓流體分析
主要用到了下列特點和能力：
• 使用具有負體積和正體積的靜水壓流體單元
• 氣體材料模型
• 加固
一個充氣滾動輪胎的瞬態分析將通過多個載荷步展示輪胎的變形。
簡介
對于包含流體-固體之間相互作用的耦合問題，靜水壓流體單元很適合計算流體體積和壓力。通過對靜水壓流體的建模，我們可以研究當其包含在一個固體當中對固體施加多種載荷時流體行為的變化。
這樣的分析在本案例的問題中很有用，能夠檢查在一個輪胎充氣和滾動過程中其內部的空氣壓力、密度和體積的改變。另一個案例應用是研究活塞在壓力缸移動過程中內部氣體體積和壓力的改變。
汽車行業致力于改進氣體燃燒效率和減小能量損耗，而兩者均受到車輛輪胎的滾動阻力影響。為了實現上述兩個目標，準確預測滾動變形輪胎內部的氣體變化情況是十分必要的。
問題描述
一個三維輪胎模型充氣并在道路表面受壓，然后滾動過路面的一個隆起處。輪胎由超彈性材料和加固單元建模，內部的空氣由靜水壓流體單元建模，當載荷施加到輪胎時，監控其壓力、體積和密度。
輪胎充氣到36psi，1ton壓力施加在車軸上來模擬車輛在該車軸上作用的質量部分。
分析分為五個載荷步：
1. 施加重力載荷并設置空氣的參考溫度
2. 將輪胎充氣
3. 將輪胎移動到路面上
4. 移除位移和壓力邊界條件
5. 施加一個加速度邊界條件使輪胎滾過隆起處
載荷步1-4靜態加載，載荷步5為瞬態分析，來研究加載效應對豎直加速度的影響。
建模：
為模擬實際情況，輪胎尺寸與P215/65R16/minivan的一個輪胎大致相同。輪胎使用不可壓縮超彈性材料模型，在實體單元內部有加強單元，用于模擬輪胎結構中的鋼加固。
展開 連輪胎都是3D打印的！固特異無充氣輪胎在小巴士Olli測試
南極熊導讀：之前我們曾多次報道3D打印電動小巴士Olli，這輛小巴士不斷的進行技術迭代和更新，現在又將開始了一項新的探索，就是使用3D打印的無充氣輪胎。
2021年7月27日，南極熊獲悉，在美國的佛羅里達州杰克遜維爾市，將為Olli 3D打印電動小巴士安裝測試固特異（Goodyear）的3D打印無充氣輪胎。
固特異與3D打印電動巴士的創造者Local Motors、自主移動技術供應商Beep以及杰克遜維爾交通局（JTA）合作，他們稱這是電動巴士安裝的首個無氣輪胎，可供場內使用，這種新的合作關系將使電動巴士更加可持續。
在過去的三年里，固特異和Local Motors測試了3D打印的無氣輪胎，達到了有關負載、速度和耐用性的幾個性能指標。在2019年，固特異將重點轉向公路測試，并與Local Motors建立了日益密切的關系，希望證明非充氣輪胎在未來幾年內可以成為行業標準。
在杰克遜維爾市的這一最新測試，將揭示出比過去幾年加起來還要多的關于非充氣輪胎的信息，包括它們如何為電動班車提供可持續、免維護和更持久的選擇。此外，固特異和當地汽車公司將從測試中收集體驗數據，尋找關于乘坐舒適度、噪音和其他變量。
固特異高級項目經理Michael Rachita說："我們覺得輪胎可以改變我們的移動方式，無氣結構是理想的，特別是在新興的自動駕駛交通環境中。我們期待著在本世紀末推出第一款完全可持續的免維護輪胎"。
△固特異無充氣輪胎（NPT），圖片由固特異提供
2020年9月，杰克遜維爾交通局（JTA）邀請Olli 2.0自動駕駛電動小巴士加入其測試計劃。
這也是JTA自2017年啟動終極城市循環器計劃以來，測試的第五輛自動駕駛汽車。
展開 
汽車充氣輪胎的路面滾動模擬(流固耦合)（附ANSYS命令流&模型文件）
在實際工程應用中例如：
汽車發動機氣缸活塞運動內部氣體各項指標的變化、氣罐充氣過程模擬
等。
本技術案例展示了：
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
關鍵仿真模擬技術特征：
流體靜力學單元的建立
氣體材料模型建立
加強單元使用（REINF265）
計算結果
輪胎充壓（右）與不充壓（左）變形結果：
輪胎滾動模擬變形結果：
模型建立
為模擬實際情況，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實體單元建立，先建立輪胎2D截面，后通過對軸旋轉成體。
二、輪胎內氣體模型建立
采用HSFLD242流體靜力學單元建立，先選擇輪胎內壁單元，采用EURF命令在輪胎內壁與輪胎中心點之間生成氣體單元。
ESURF, XNODE, Tlab, Shape
!Generates elements overlaid on the free faces of existing selected elements
實際中，輪轂區域不該存在氣體單元，如圖示，因此指定這部分單元為負體積氣體單元，以忽略該部分單元的影響。
三、輪胎內纖維加強模型建立
采用REINF265加強單元建立。選中輪胎外表面單元，采用ereinf命令定義加強單元。
EREINF
!Generates reinforcing elements from selected existing (base) elements.
展開 首款自行車3D打印輪胎問世，免充氣不需補胎
2019年1月24日，南極熊從單車基械匠獲悉，德國的3D打印機專業機構Big Rop使用他們最新的Pro Flex聚合物打印了一種可以用于自行車的蜂窩狀輪胎，可以提供舒適的騎乘體驗以及無限種胎面形狀的可能，并且你再也不用擔心有扎胎跑氣的風險。當然，這一技術并不僅限于自行車輪胎，同樣的輪胎已經被用于摩托車以及更多的產品上。
使用Pro Flex TPU進行3D打印
輪胎的結構看起來，和摩拜單車的免充氣輪胎很像。
雖然讓城市自行車不用再擔心爆胎的想法已經很多，但是從材料本身來看，可以用3D打印的形式呈現，才是最亮眼的地方。在過去的幾年中，3D打印已經在工業設計領域快速崛起，激發了更多制造業的潛力。
現在，在3D打印上最大的創新，往往都是和新材料的配合，像BigRep這樣的公司就是主要在3D打印機上不斷嘗試新的材料研發、制造更多的產品。
免充氣的NowLab自行車輪胎
這個3D打印的自行車輪胎由柏林的3D打印機公司NowLab的設計師Marco Mattia Cristofori設計制造，并為此全程開發了新的應用。
輪胎的基本材料是Pro Flex，這是一種耐用的熱塑性聚氨酯材料，保留了TPU的柔韌性。
對于3D打印機來說，印刷彈性體一直是3D打印的難題，因此，這種可以創建保持耐用性，柔韌性和阻尼性的3D打印材料是非常獨特的。當然，這也是為什么它可以用來3D打印制造逐層打印的免充氣輪胎，而不是像市場上的其他免充氣產品那樣，通過建模等傳統的解決方案來制造。
這樣打印出來的輪胎，由于采用了分層的鏤空設計，因此可以像橡膠輪胎一樣彎曲，還可以把任何胎花都直接打印在胎面上，而無需其他的額外的處理。
不過這一過程需要16個小時才能完成，然后就可以把其拉伸安裝到標準了自行車輪圈上了。
展開 ABAQUS案例-ABAQUS中fluid cavity的應用及流道腔（氣囊）充氣或充液過程模擬 ￥3
在工程應用中，有時候會遇到流體與流體腔道的相互作用過程，例如輪胎充氣過程、熱的或冷的流體流過流體腔道等等，對于這類問題，ABAQUS軟件提供了fluid cavity參數來模擬這一過程。本實例中（附件中的inp文件）展示了在ABAQUS中采用fluid cavity參數來模擬流體（氣體或液體）與流體腔的相互作用過程，并分析流體腔的應力分布和位移分布。本實例可以拓展到任意材料的流體腔，比如模擬輪胎充氣過程。
【米思米電子元器件知識分享】- 空壓機的工作原理是什么？
由電機或柴油機驅動壓縮機，吸入空氣后壓縮至一定數值后，引起氣缸內容積變化，從而產生氣動能源
空壓機的種類很多 ，按工作原理可分為容積型、動力型（速度型或透平型）、熱力型壓縮機；按用途可分為冰箱壓縮機、空調壓縮機、制冷壓縮機、天然氣加氣站用、鑿巖機用、風動工具、車輛制動用、紡織機械用、輪胎充氣用、醫用壓縮機；按型式可分為固定式、移動式、封閉式 。
需要注意的是，空氣壓縮機是一種帶壓工作的機器，工作時伴有溫升和壓力，其運行的安全性要放在首位，要選擇有質量保障的正規品牌的產品。米思米 https://www.misumi.com.cn/機械設備供應商，為各行各業提供高品質機械設備標準零件
空壓機是量大面廣的通用機械產品，
米思米 www.misumi.com.cn空壓機廣泛應用于機械、礦山、化工及建筑等行業。它的用途特別的廣泛，比較常見的有：
1、作為空氣動力，比如風動工具，氣動扳手，風鎬。
2、在紡織行業中代替梭子的作用。
3、用于裝瓶或者是管道氣體輸送，比如說天然氣的遠程輸送，二氧化碳的裝瓶。
4、用于化學工業中氣體的合成或聚合，比如甲醇的合成，尿素的合成，生產聚乙烯。
5、風洞實驗、礦山通風換氣、金屬冶煉。
6、空氣爆破、沉船打撈、輪胎充氣。
展開 輪胎史上那些逆天黑科技，簡直太神奇
對，轉魄說的是發光輪胎。上世紀六十年代，固特異
想到一個點子，將燈泡安裝在輪輞內部，輪胎采用特殊配方制成的半透明合成橡膠，通上電后，就創造出了炫酷無比的發光輪胎。不過，現在的發光輪胎可是已經很高級了，使用LED光帶，國內貌似有品牌有生產。【狀態：生產階段】
四、發電輪胎
2015年的日內瓦展上，固特異展出了展出了一款叫做 BH03 的特殊輪胎。特殊在哪?簡單的說，它可以一邊滾動，一邊給電動汽車「充電」。只要車子在移動過程中，它就可以源源不斷的提供能量。轉魄有見過爆胎的，還沒見過“燒胎供電”的?！緺顟B：概念階段】
五、免充氣空心輪胎
自第一條充氣輪胎誕生，它已經統治了交通行業近2個世紀。然而，即便充氣輪胎再完善，仍無法逃脫它的"爆胎厄運"的致命威脅?！叭绾巫?em>輪胎降低爆胎率，提高使用壽命”已經成為很多國家和輪胎企業的重要命題。于是，免充氣輪胎應運而生。其中，以中國、法國、韓國、日本四個國家的研究成果最具代表性?！緺顟B：生產階段】
法國米其林免充氣輪胎
日本普利司通AirFree概念胎
韓國韓泰iFlex免充氣輪胎(NPT)
中國江昕免充氣空心輪胎
有沒有覺得這些發明都很神奇，貌似都顛覆了我們的認知。
輪胎竟然可以是球形的？
沒有輪轂的輪胎竟然能跑？
奔跑的橡膠竟然可以發電？
丑不拉幾的輪胎有一天也能發光？
免充氣和空心竟然可以同時存在？
這些逆天的發明驗證了一個道理：
腦洞才是第一生產力?。?來源：太平洋汽車網
展開 二維輪胎充氣有限元仿真 ￥3
此次文章基于文本編輯UltraEdit進行inp文件的編程，二維輪胎前處理文件基于Hypermesh 前處理的輸出2D.inp，在我的第一篇文章里有講述關于二維輪胎的建模，網格劃分，接觸面設置，內置區域設置以及單元節點**的創建等一系列內容，在此不再過多贅述。
本次課程主要講述了以下幾個方面的內容：
輪胎材料屬性的定義；
輪胎截面屬性的定義；
輪輞剛體屬性定義；
接觸對定義；
充氣仿真設置；
仿真inp文件的運行及結果的查看。
下圖為二維輪胎有限元模型：
UE文本編輯器界面：
子午線輪胎五剛特性仿真 ￥10
輪胎剛度作為輪胎最重要的力學性能參數一直備受汽車設計者的關注，它不僅影響到汽車的動力性、轉向操縱性及制動安全性等，而且是整車設計分析不可或缺的參數之一．輪胎剛度特性是指作用在輪胎上的載荷與對應的變形之間的關系．
輪胎的徑向剛性是靜負荷試驗的延伸，能夠更好地反映輪胎在靜負荷下的變形能力；縱向剛性和橫向剛性的匹配影響輪胎的操控性；扭轉剛性反映駕駛者在彎道上轉動方向盤使輪胎轉向的靈活性；包覆剛性用于評估輪胎遇到障礙物時的變形情況。
在本次課程中，依舊使用UltraEdit文本編輯器進行inp代碼的編寫，此外本次課程的徑向、側向、縱向、扭轉及包覆剛度仿真分析的inp代碼我都會以附件形式在文末給出。
在輪胎的五剛特性仿真分析中，主要有以下方面：
1. 輪胎材料屬性的定義；
2. 輪胎截面屬性的定義；
3. 輪輞剛體屬性定義；
4. 接觸對定義；
5. 充氣仿真設置；
6. 3D輪胎的生成；
7. 剛性路面的建立；
8. 接觸對建立；
9. 輪輞屬性定義；
10. 3D模型充氣仿真；
11. 輪荷加載仿真；（徑向、側向、縱向、扭轉、包覆）
12. 結果提交與查看；上述的1——10在前文的“二維輪胎充氣有限元仿真”及“3D輪胎的生成及充氣、載荷仿真”已經講述，這里便不再過多贅述，inp代碼在最后給出。以下僅在輪荷加載部分給出講解。
展開 
聊聊我的子午線輪胎側偏特性仿真研究 ￥99
三、子午線輪胎有限元前處理
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
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
關鍵字*SYMMETRIC MODEL GENERATION生成3D輪胎
關鍵字*SYMMETRIC RESULTS TRANSFER 結果映射
*SYMMETRIC MODEL GENERATION,REVOLVE,ELEMENT=10000,NODE=10000,FILE NAME=step2rev0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0 0.0, 0.0, 1.0 150.0,20,1.0,GENERAL 30.0,10,1.0,GENERAL 30.0,10,1.0,GENERAL 150.0,20,1.0,GENERAL*SYMMETRIC RESULTS TRANSFER**
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。
展開 車輪系統碰撞剛性墻 ￥5
車輪系統以一定的初速度碰撞剛性墻，具體涉及到剛體與柔性體接觸、剛體與剛體接觸、速度與角速度、重力加速度定義、輪胎充氣等
車輪系統有限元模型
位移云圖
收費內容僅僅只包含模型及結果文件，具體見附件。
3D輪胎自由模態的提取 ￥5
本次文章主要講述了3D輪胎自由模態的提取，因為所要提取的是自由模態，所以此次要編寫的inp文件與step2rev.inp相比無需考慮剛性路面的建立、輪荷加載的設置等因素，只需定義輪輞的屬性、3D輪胎充氣仿真以及基于LANCZOS求解法的3D輪胎自由模態提取即可。模態頻率的關鍵字為*FREQUENCY，提取范圍為0.1——300Hz。
本次操作基于前文所述的Hypermesh 輸出二維輪胎模型2D.inp，將二維輪胎模型進行旋轉可得3D輪胎模型，關鍵字為*SYMMETRIC MODEL GENERATION.
二維輪胎有限元模型如下所示：
有關3D輪胎旋轉的相關內容在3D輪胎的生成文章中已進行講述，這里不再過多贅述，3D輪胎生成inp文件編寫如下：
生成的3D輪胎模型如下所示：
展開 滾動輪胎模態仿真 ￥10
滾動輪胎模態仿真實際上是在輪荷加載的基礎之上的重啟動分析。輪胎在穩態滾動過程中,會受到預加載荷、慣性力以及輪胎和地面的摩擦力的影響,這些力會對整個系統的剛度矩陣和阻尼矩陣產生影響,導致非對稱性。故不能采用常規方法對動力學方程進行解耦,必須用復模態來解耦,所以滾動輪胎的模態仿真其實是復模態的的提取。
在abaqus的穩態滾動中,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）。在提取復模態之前,必須保證輪胎滾動的轉速和線速度相匹配，故需先進行roll tire仿真調試：
roll tire計算中，先給定輪胎線速度、轉動角速度然后提取輪胎輪心的力矩M,當輪胎穩態滾動的時候, 輪胎輪心的力矩M應該為0。在實際操作中,需要不斷的調節定義的ω值,使最終繞Y向的力矩M在[-10,10]之內。
進行roll tire計算時，首先進行step1二維輪胎充氣仿真計算，然后進行step2rev旋轉3D輪胎生成及輪荷加載計算，在此基礎上進行Free roll計算Inp文件的編寫，進行計算，查看輪胎輪心的力矩M判斷輪胎是否處于穩態滾動狀態。下圖為step1.inp以及step2rev.inp運行結果圖：
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