基于 Wi n do w s 平台的子午线轮胎 CAD 系统

第27卷，第4期，北京化工大学学报，第27卷，第4期，2000子午线轮胎计算机辅助设计系统，基于视窗1)杨伟民1)聂秋海2)郑松2) (1)北京化工大学机械工程学院，北京100029；(2)北京轮胎厂，北京100096)用Visual Basic语言开发了：子午线轮胎CAD系统。采用数字轮廓描述方法实现了自动生成ANSYS有限元模型文件和参数化绘图的功能。介绍了子午线轮胎计算机辅助设计系统的应用环境和界面。关键词：子午线轮胎结构设计：计算机辅助设计；图形分类号： TQ 33(在Visual Basic中)；TP 391。73收到日期： 1999211215基金项目：北京“九五”重点研究项目(951401900)；北京“科技新星计划”(954811600)的第一作者，男，生于1975年，他说子午线轮胎是充气轮胎的新产品。由于其在节油、耐磨、安全和舒适方面的优势，它已成为轮胎发展的主流。子午线轮胎的计算机辅助设计是子午线轮胎结构设计的一个新方向，如北京橡胶工业研究设计院的斜交轮胎计算机辅助设计工具、华南理工大学的计算机辅助摩托车设计系统和武汉理工大学的低噪声轮胎花纹计算机辅助设计程序1 2。国外著名轮胎公司已经在轮胎产品设计中实现了计算机辅助设计，但是关于轮胎计算机辅助设计系统的开发还没有报道。阐述了子午线轮胎计算机辅助设计系统是用Visual Basic和Autolisp语言开发的计算机辅助设计工具，它能实现参数化绘图和自动生成ANSYS有限元模型文件功能，使其界面友好、可移植。子午线轮胎结构设计的有限元分析由于几何结构的复杂性和材料特性的多样性，子午线轮胎的理论分析一直困扰着研究者。子午线轮胎结构设计理论包括网络理论、薄膜理论、薄壳理论等。这些分析理论有很大的局限性3。随着计算机的发展，有限元法作为一种有效的数值计算方法被引入到轮胎结构设计中，促进了轮胎结构设计理论的发展，4。有限元法是一种数值计算方法，仅在过去40到50年才出现。有限元法可以模拟几个复杂的解域，也可以用每个单元中假定的近似函数来表示整个解域中待求解的未知场函数。将有限元软件与计算机技术相结合，大大简化了轮胎结构设计过程。有了最新的三维仿真软件和工作站，从设计阶段到新模型生产成品的时间将缩短一半，模型将更加紧凑。国内几家有影响力的子午线轮胎研发生产单位正在应用大型有限元通用软件对传统产品进行优化和新产品开发，如北京橡胶工业研究设计院采用的MARC、上海轮胎公司采用的ANSYS和北京化工大学采用的ANSYS。这些有限元通用软件可以在计算机上模拟许多试验，但由于有限元软件的通用性，在具体的应用领域仍有许多工作要做。基于Windows平台的子午线轮胎CAD系统采用Visual Basic语言开发子午线轮胎CAD系统。利用该系统，可以自动生成子午线轮胎有限元模型文件，配合ANSYS软件的应用。通过计算机模拟子午线轮胎的性能，得到满意的设计方案后，设计结果可以以工程图或模型数据文件的形式输入。为了使轮胎设计更易于设计者自由修改，并突破传统定义子午线轮胎轮廓形状方法的限制，采用了一种全新的子午线轮胎轮廓描述方法数字轮廓3。2.1用Visual Basic开发Windows应用软件的优势Visual Basic是微软在20世纪90年代开发的一种面向对象的编程语言。与传统的用于AutoCAD开发的C语言相比，它编程简单方便，与多种语言和环境有很好的接口，功能非常强大具体来说，当新内容被添加到程序中时，新功能只能通过添加新程序来实现，而无需重新设计整个程序。此外，Visual Basic与大多数应用程序都有接口，例如AutoCAD和Office，并且可以调用其他程序的功能来促进人机交互5。2.2子午线轮胎计算机辅助设计系统的配置要求子午线轮胎计算机辅助设计系统是基于PC机硬件平台的辅助设计工具。它对微机的要求是：硬件486带中央处理器，16 M内存和112 G硬盘。该软件是中文版本的视窗95(98)，AutoCAD R14或以上。213子午线轮胎计算机辅助设计系统主控表功能21311子午线轮胎计算机辅助设计系统主控表直接给出程序设计单位、作者和版本信息。主控制窗口中的几个下拉菜单包含子午线轮胎CAD系统的所有功能，如图1所示。系统菜单包括生成子午线轮胎有限元模型文件和退出子午线轮胎计算机辅助设计系统的功能。轮廓设计菜单包括输入子午线轮胎形状参数值和调整子午线轮胎外轮廓的功能。参数输入菜单包括子午线轮胎各向同性材料和正交异性材料的三个物理参数的输入：密度、弹性模量和泊松比。由于轮胎实际工况的多样性，载荷的考虑仍需由轮胎分析设计人员根据具体工况在ANSYS平台上进行。图1子午线轮胎CAD系统菜单栏图11子午线轮胎CAD系统菜单21312轮廓设计菜单功能轮廓设计菜单包括3个部分：子午线轮胎轮廓示意图、子午线轮胎形状参数值输入和子午线轮胎轮廓调整。子午线轮胎的外形图用不同的颜色线直接给出了子午线轮胎的材料组成和材料分布，如图2所示。通过子午线轮胎形状几何参数输入窗口，可以输入计算子午线轮胎性能所需的参数值，这些值的默认单位是m，如图3所示。图2子午线轮胎轮廓示意图图12子午线轮胎轮廓示意图图3子午线轮胎形状参数值输入界面图13子午线轮胎形状参数输入界面在子午线轮胎轮廓调整窗口中，轮廓曲线由AutoCAD软件绘制。在调整过程中，仅通过调整轮廓曲线的控制点就可以平滑地改变子午线轮胎的外轮廓形状。图4示出了在双击嵌入在子午线轮胎外轮廓系统中的AutoCAD图形之后，轮胎的外轮廓形状可以在AutoCAD环境下改变。图4调整子午线轮胎外轮廓图14子午线轮胎模块外轮廓21313参数输入菜单功能参数输入菜单包括两个窗口：各向同性材料参数输入窗口和正交各向异性材料输入窗口，见图5和6。各向同性材料参数输入窗口用于输入胎冠胶、内衬胶、三角胶、小胎侧胶、胎侧胶、耐磨胶以及子午线轮胎的路面和轮辋材料001。北京工业大学报告了2000个参数。正交各向异性材料参数输入窗口输入子午线轮胎胎圈环、帘布层纤维增强层、钢丝带束层和尼龙带束层的材料参数。这些参数包括弹性模量、泊松比和密度。在这两个窗口中，弹性模量、泊松比和密度的默认单位分别为mm、MPa和kg/m3。图5各向同性材料参数输入窗口图15各向同性材料值输入窗口图6各向异性材料参数输入窗口图16各向同性材料值输入窗口21314系统菜单功能在系统菜单中，有两个功能，即生成子午线轮胎ANSYS有限元模型文件和退出系统提示功能。在生成子午线轮胎有限元模型文件的窗口中，可以输入有限元模型文件名。按下确定按钮后，作者请求的子午线轮胎有限元模型文件将出现在“我的文档”文件夹下。子午线轮胎计算机辅助设计系统中会出现一个提示框，指示有限元模型文件的存储位置。以205/60R15子午线轮胎为例。图7(a)是自由状态下轮胎横截面的有限元模型，图7(b)是将自由状态下轮胎横截面的有限元模型旋转360得到的模型。通过“性能模拟方案调整”，21315工程图菜单功能被重复多次，轮胎设计师可以得到一个比较好的设计方案。在工业生产中，指导轮胎生产的工程图纸主要包括轮胎断面轮廓图、花纹图和侧视图。子午线轮胎计算机辅助设计系统最终可以生成这些图纸。(1)生成轮胎断面轮廓：轮胎断面轮廓是车轮(a) (b)中最重要的一个。从这个图中，可以确定轮胎的确切形状。因为轮胎外轮廓的形状对轮胎的性能影响最大，外轮廓的确定也是轮胎轮廓中最重要的。确定外轮廓后，设计人员应根据帘布层厚度和带束层厚度等设计参数确定车轮轮胎的内轮廓，最终确定轮胎断面的轮廓形状。传统轮胎外轮廓曲线设计中需要确定的主要尺寸是外径、断面宽度、断面高度、两个胎圈之间的距离、行驶面的弧宽、行驶面的弧高、断面中心线以下的断面高度和断面中心线以上的断面高度。根据橡胶工业手册中外胎的外轮廓设计，这些尺寸主要由一些设计公式或经验数据确定6。这些设计公式和许多经验数据在很大程度上得到了简化，精确度较低。在设计过程中，还需要用若干圆弧或线段来定义轮胎轮廓曲线，这大大降低了设计的自由度，也极大地影响了设计效果。在子午线轮胎计算机辅助设计系统中，当作者确定了几个主要尺寸(如轮胎外轮廓的截面高度和截面宽度)后，他将不使用确定的圆弧或线段来确定轮廓，而是将使用数字轮廓来完全确定轮胎的外轮廓。最后，根据有限元软件的仿真结果做出具体的选择，最终确定轮胎断面的等高线图。这将使轮胎外形设计更加科学，也将使：子午线轮胎CAD系统的设计者如黄等受益。101，第4阶段，在基于视窗平台的设计上有很大的自由度。(2)轮胎花纹图和轮胎侧图：的生成在生成轮胎剖面图之后，可以通过添加图案、制造商、商标等来获得轮胎花纹图和轮胎侧图。侧写。轮胎图案可以从轮胎图案库中调用，轮胎侧边设计由设计者具体确定。图8是由子午线轮胎CAD系统生成子午线轮胎的横截面图，以指导轮胎生产。图8数字轮胎外形图图18数字子午线轮胎外轮廓图3结论本系统运行在98窗口下，与在DOS环境下开发的轮胎CAD系统相比，具有界面友好、运行速度快等优点。目前，子午线轮胎计算机辅助设计系统只能提供轮胎断面轮廓、花纹和侧视图。随着研究工作的深入，子午线轮胎CAD系统还将增加初始轮廓设计、花纹设计、材料分布图、轮胎模具图等功能。子午线轮胎CAD系统的开发为国内轮胎结构设计研究提供了一定的参考，对专业领域CAD软件的开发具有一定的参考价值。子午线轮胎计算机辅助设计系统在实现轮胎结构设计自动化方面进行了有益的实验，并取得了一定的成果，为今后开发完整的轮胎计算机辅助设计计算机辅助制造计算机辅助工程系统奠定了基础。参考文献1林慧音，蒋智杰，于广华，等。在WIN95下运行计算机辅助摩托车轮胎设计系统。轮胎工业，1999，19 (8) : 451 2李先立，陈绍频。低噪声轮胎花纹的计算机辅助设计。橡胶工业，1994，41(2) :92 3杨卫民。子午线轮胎的三维非线性有限元分析和性能仿真的研究学位论文】.北京：北京化工大学，1998年年4王冒成。有限单元法基本原理和数值方法。北京：清华大学出版社，1995年年，5彼得鲁特索斯电子版，Visual Basic 6从入门到精通。北京：电子工业出版社，1999年年6梁守智。橡胶工业手册：第四分册（轮胎).北京：化学工业出版社，1989年介绍了基于窗子平台的子午线轮胎无赖系统，黄文龙1)杨伟民1)聂秋海