轮胎结构设计CAE工业软件SuperTire:（15）疲劳分析
1.计算方法 橡胶疲劳裂纹扩展方法基于断裂力学理论，通过建立裂纹扩展速率与撕裂能的关系，给定裂纹的初始几何尺寸以及材料裂纹扩展参数，预测材料的裂纹扩展速率，进而求解疲劳寿命。采用Thomas模型描述裂纹扩展速率与撕裂能的关系。 图 1 Thomas裂纹扩展模型 从橡胶体中取出一材料微元，并假设该微元存在裂纹，裂纹平面上撕裂能密度与撕裂能可由该平面上的应力应变计算得到。 图 2 撕裂能与撕裂能密度 将计算后的撕裂能代入Thomas裂纹扩展模型，即可求得疲劳寿命。 图 3 疲劳寿命计算 轮胎疲劳寿命预测以轮胎二维截面为研究对象。轮胎在滚动分析完成后，得到三维轮胎有限元计算结果，提取轮胎二维截面沿着轮胎周向的应力应变，将其作为轮胎转动一周时该截面的应力应变历程，即转动一圈对应的循环载荷。 图 4 截面上某点沿轮胎周向应力应变分布 分别计算二维截面上的每个单元的每个潜在裂纹平面上的撕裂能历程，并结合裂纹扩展模型得到每个潜在裂纹面的疲劳寿命。搜索全部单元的所有潜在裂纹面，即可得到轮胎疲劳寿命分布。 图 5 轮胎疲劳分析流程图 2.案例分析 以橡胶柱形试件疲劳分析为例，SuperTire的计算结果与Fe-safe计算结果云图趋势基本一致，最大误差不超过5%。 图 6 工况设置 图 7 柱形试件疲劳分析结果 3.案例分析 在完成轮胎的装配、充气、静态接地、稳态滚动计算后，提取稳态滚动分析后的应力、应变、变形梯度等结果，选择Thomas裂纹求扩展模型，求解轮胎疲劳寿命。 图 8 航空轮胎有限元分析工况设置 疲劳寿命结果如图 9所示，可以看出，轮胎疲劳寿命云图呈对称分布，轮胎疲劳危险部位即图中红色 区域主要集中在胎侧及缓冲层区域。 图 9 轮胎疲劳寿命结果 为考虑负载对航空轮胎疲劳寿命的影响，分别进行40KN、44KN、48 KN和52 KN工况下的航空轮胎疲劳分析。从图中可以看出，随着负载的增加，缓冲层危险部位向胎面及缓冲层两端集中，胎侧疲劳危险部位则逐渐向胎侧下部移动。 图 10 不同负载下疲劳寿命结果 将不同负载下的危险部位疲劳寿命绘图，如图11所示，当负载提高10%，轮胎危险部位疲劳寿命下降16%，当负载提高130%，轮胎危险部位疲劳寿命下降33%。 图 11 负载与疲劳寿命关系来源：结构设计CAE工业软件研发
