ANSYS Mechanical轮胎高级非线性仿真应用

1、ANSYSMechanical轮胎高级非线性仿真应用内容提要2轮胎仿真简介 轮胎效能仿真重要步骤目前工业界的仿真现状主要挑战 使用ANSYS Mechanical APDL进行轮胎效能仿真轮缘安装, 轮胎充气, 轮胎压印分析, 稳定转动分析 ANSYS18.0开发的重要功能网格无关的加强单元生成带有扭转的轴对称单元二维分析拓展到三维分析轮胎仿真简介轮胎一般包含以下主要组件, 如示意图所示Tread 胎面Belt Region 带束层Inner Liner 内 胎Sidewall Region 胎侧区域Inner Carcass Region 胎内钢丝层Bead Filler Region 胎圈

2、安装区域Apex/Chafer Region 胎圈腔体区域Beads 胎圈Reinforcements: Belts & Body Ply 加强织物：束带和胎体层胎冠Side wallRim stripInner linerBead steelApexBody plyBelt1Belt2Inner liner3轮胎仿真轮胎是影响汽车动力学性能的重要组件。轮胎需要在不同的工况下工作。轮胎具有非常复杂的几何，不同的材料属性（尤其 是加强结构）。有限元方法可以应用于这些复杂的轮胎分析以及不同工作状态下的性能仿真。轮胎成型分析（Polyflow)轮胎性能分析（固体力学）湿路滑胎分析（多物理耦合、系统耦

3、合）4轮胎仿真的主要步骤二维轴对称轮胎建模使用二维模型进行轮缘安装分析3. 使用二维模型进行轮胎充气分析4. 二维模型模型拓展到三维轮胎模型使用三维轮胎模型进行轮胎压痕分析三维轮胎模型稳定转动分析得到轮胎在不同滚动状态的变形量（自由滚动、制动和加速）三维轮胎模型在具有不同侧滑角时的转向分析不同外倾角对轮胎压印和转向力的影响有时，需要直接从三维模型 分析开始。对于这些特殊情 形，轮缘安装和充气分析直 接在三维模型中进行。5现在工业界的现状轮胎的几何几乎是轴对称结构（有些情况除胎冠部分），所以一 般轮胎仿真都是从二维模型开始的。轮缘安装分析是通过刚性目标面（代表轮缘）推向轮胎或者通过 求解轮缘和轮

4、胎之间的初始干涉装配来进行。充气分析之后，进行二维到三维的模型转换，然后进行三维模型 分析。三维稳定转动分析一般使用任意拉格朗日-欧拉法(ALE方法）。6主要挑战7增强杆单元需要易于使用，并且用户友好。所以我们开发了新的网格无关的增强单 元。二维轴对称模型需要能考虑线束加强引起的扭转效应。所以我们新开发了带有扭转 自由度的二维轴对称单元。二维模型到三维模型的转换至关重要。这项功能需要能够保证足够的精度并且易于 使用。我们全新开发了二维模型到三维模型转换的功能。需要能够高效地仿真稳定转动分析。我们实现了任意拉格朗日-欧拉算法（ALE)来实 现更高效的仿真。ANSYS R18重要更新8ANSYS

5、18版本为轮胎仿真开发的重要新功能网格无关的增强单元创建带有扭转的轴对称单元二维模型拓展到三维模型和再平衡网格无关的增强单元9生成网格无关的增强单元10轮胎的横截面具有复杂的几何形状束带/层状结构嵌入其中形成加强结构它们具有不同的表面形状它们具有不同的材料属性以及属性方向 迫切需要能够高效地对这些加强结构进行单元创建 这些单元在“二维模型到三维模型拓展”过程中需要能够自动被抽取到三维模型 中。生成网格无关的增强单元11 使用MESH200生成网格（一阶、二阶的线网格或者三角网格）来代表增强结构的 几何，一般都是表面或者曲线。 把MESH200生成的网格和加强的横截面关联起来来提供更多的截面信息

6、（纤维材 料、纤维横截面面积、纤维分布间距等） 在原型面上使用ESYS和MESH200来定义纤维方向。 选择基础（实体）和MESH200单元来进行交叉。 执行EREINF命令 优势：高效、灵活并且易于更改。可以通过加强单元按组进行直观的后处理。 生成的增强单元可以抽取到三维模型中。应用举例基础SOLID183单元12MESH200（增强带）增强单元二维轴对称轮胎模型(增强单元可以被抽取到三维全模型中)应用举例13母材基础: SHELL181, 单层模型铺层: 混合增强复合材料铺层用均匀母材（基础）和增强纤维（混合增强）建模Examples变形的母材基础网格内分布的三维增强单元基础网格可以任意改

7、变而不影响增强单元14应用举例:15应用举例:16二维带扭转轴对称单元17Plane182, Plane183 以及 REINF263增加选项18具体是:变形可以使节点移动到全局XOY平面外，但是：原始模型具有轴对称的几何所有的载荷和边界条件也是轴对称的。所以，变形在圆周方向是均匀的，并且和中心角无关。变 形只是径向坐标和轴向坐标的函数。新的应力（应变）分量Syz 和 SxzPlane182 和 Plane183单元新的应力状态选项KEYOPT(3) =6所有节点的新的自由度ROTY被激活用户可以在任意节点施加扭转位移（ROTY)或者转矩（MY)Plane182单元支持B-bar算法带扭转的轴

8、对称单元19 REINF263自动提取基础单元的应力状态 支持现有的所有材料模型 支持所有的分析类型，包括线性扰动分析 支持大变形分析（NLGEOM, on） 可以扩展显示三维结果 传统的轴对称应力状态现在是带扭转轴对称的一种特殊状态 应用：面外变形由于在任意方向的轴对称的加强结构而不是径向和轴向的带来的扭转。在圆周方向的载荷和边界条件：扭转问题，螺旋线链接问题内部压力( P = 0.24 Mpa）带扭转的轴对称单元下图显示了使用PLANE182带有扭转的轴对称单元建立的二维轮胎模型胎体层(0度加强杆单元)束带角度 ( +/- 70 度加强杆单元)基础网格: 带扭转的PLANE182 (Key

9、opt3=6)20使用REINF263单元类型建 立加强单元轮胎模型由于结构的各向异性，轮胎充气后得到的变形会包含圆周方向的变形。我 们新开发的带扭转的轴对称平面单元可以用于这种分析。带扭转的轴对称单元下面的应力分量Sxz云图显示了 “带扭转的平面轴对称单元”如何捕获由于 轮胎构造的各向异性引起的扭转。带扭转的平面轴对称单元应力分量Sxz云图应力分量Sxz云图普通平面轴对称单元21带扭转的轴对称单元下面的和应变分量EPTOxz云图显示了 “带扭转的平面轴对称单元”如何 捕获由于轮胎构造的各向异性引起的扭转。带扭转的平面轴对称单元和应变分量EPTOxz云图和应变分量EPTOxz云图普通平面轴对称

10、单元22方便施加扭转载荷直接在实体单元上施加载荷不需要设置接触对使用二维模型求解三维问题更加有效举例:扭转载荷作用下的空心圆柱使用PLANE182建模使用超弹性材料模型底面完全固定顶面约束X和Y方向的位移，并且施加扭转位移=180度打开大变形分析（Nlgeom,on ）比较二维模型和Solid185实体模型的结果23带扭转的轴对称单元: 优势带扭转的轴对称单元: 举例载荷和边界条件直接在节点上施加需要在顶面设置接触单元来施加扭转载荷可以通过/Eshape命令 把二维结果扩展显示在 三维空间里二维模型: 10 个子步,24 次迭代，CPU 时间= 1.84524三维模型：10个子步，31次迭代，

11、CPU时间=68.976!纤维方向0度25纤维方向45度Reinf263加强单元加强单元引起轴对称结构扭转变形载荷只有顶面Y方向的位移，约束为底面固定26边界条件和载荷使用keyopt(3)=6打开轴对称的扭转27纤维方向0度纤维方向45度扭转位移ROTY为0扭转位移ROTY非0结果具有显著差异28纤维方向0度纤维方向45度应力分量Syz接近为0应力分量Syz非0二维分析拓展到三维分析29二维分析拓展到三维分析30将二维网格和非线性单元求解拓展到三维网格和求解，然后继续基于三维 模型进行求解从二维模型开始，而不是三维模型可以快速的生成模型可以快速求解在三维模型阶段可以施加新的载荷只有在确实有必

12、要的情况下才求解三维模型所有的变形历史、载荷以及约束条件都可以从二维模型继承二维分析拓展到三维分析312D to 3D analysis/CLEAR, NOSTART/FILENAEM,filename/SOLUMAP2DTO3D, START, ldstep, substepEEXTRUDE, ACTION, NELEM.MAP2DTO3D, FINIMAP2DTO3D,SOLVFINI作为三维分析重启动一般的重启动分析方法可以添加新的载荷主要功能清空数据库定义项目名称进入求解环境选择一个子步生成三维模型允许新的单元添加载荷、边界条件和接触映射结果和再平衡继续进行求解但是已经是三维模型了 !

13、二维分析拓展到三维分析32支持的单元类型:Plane182、Plane183 (平面应变, 带有或者不带有扭转的轴对称）Reinf263支持的分析类型:带有大变形的静力分析拓展出的实体单元支持：接触、和以上实体单元相关的目标单元都会被自动转化为三维模型载荷和边界条件：自动转化为三维模型任何求解点都可以转化只要重启动文件可用定义单元的数量，单元尺寸和在第三个方向的尺寸。控制节点坐标系的控制如何扩展目标单元生成接触单元和面单元对轮胎仿真的特殊需要保持二维模型定义的组件33EEXTRUDE命令EEXTRUDE,Action, NELEM,SPACE,DIST,THETA,TFACT,KEYBC抽取二

14、维平面单元到三维等效单元并且旋转节点AUTOExtrudes plane elements (PLANE182 and PLANE183) based on the KEYOPT(3) setting. Complementary elements are also extruded. (See Notes for more information.) This behavior is the default.PLANEExtrudes elements in the global Z direction. KEYOPT(3) of the parent elements is ignored

15、.AXISExtrudes elements about the global Y axis. KEYOPT(3) of the parent elements is ignored.TANGENTSimilar to Action = AXIS, except that target elements are extruded in the global Z direction.TIRESimilar to Action = TANGENT, but specially tailored for tire analysis.EEXTRUDE命令34EEXTRUDE命令抽取二维单元生成三维单元

16、PLANE182 生成 SOLID185, PLANE183 生成SOLID186TARGE169 生成 TARGE170CONTA171 生成 CONTA173, CONTA172 生成 CONTA174REINF263 生成 REINF265, 包括交叉网格SHELL208 生成 SHELL181, SHELL209 生成 SHELL281只在/PREP7中进行在全局左边系Z方向或者Y方向进行模型抽取 使用加强和间距控制选项来控制网格TIRE选项把节点和单元组件整合可以在MAP2DTO3D或者/PREP7中使用二维分析拓展到三维分析真实的轮胎模型: 轮胎模型在三个不同位置具有加强结构。二维

17、模 型中包含了轮胎和轮缘的接触。二维模型三维模型EEXTRUDE命令使用EEXTRUDE命令中的“Space” 选项来得到接 触区域的良好网格。母单元和节点35三维模型的再平衡36挑战:新增加的节点自由度，UZ和控制节点上可能出现的ROTX和ROTY消失的自由度：带扭转的轴对称单元中的ROTY维度变化需要允许新增加单元或者接触怎样旋转节点并且施加等效的载荷和边界条件是再平衡的关键节点方向，边界条件和自由度映射通过KEYBC选项控制EEXTRUDE,Action, NELEM,SPACE,DIST,THETA,TFACT,KEYBC三维模型的再平衡37EEXTRUDE,Action, NELEM

18、,SPACE,DIST,THETA,TFACT,KEYBCKEYBC =0所有的节点（和二维平面相关的）在XOY平米内更新成变形后的几何形状，然后旋转径向平面生成 三维模型。同时，在每个径向平面内，保持节点的在XY面内通过NROT定义的初始方向。所有施加的载荷和边界条件都映射到三维模型。每个节点的总体位移可以累积并且输出除了：对于带扭转的轴对称情况如果母节点设置了ROTY位移，UZ会被设置成0.没有三维初始状态，但是每个节点的初始状态具有非零位移。过多的节点旋转，在三维模型中部容易新增加载荷，所以这个选项适用于三维模型没有太多载荷变 化的情况。可以应用在平面应变分析中（没有径向平面和扭转）对带

19、有扭转的轴对称情况使用了特殊的逻辑设置KEYBC=0所有实体单元的节点都在 局部坐标系内旋转38当Map2dto3d,finish执行后，所有的载荷和边界条件 都正确映射。设置KEYBC = 139EEXTRUDE中的KEYBC选项KEYBC =1只有通过NROT指定了节点方向的或者带有边界条件、载荷的节点（和二维平 面单元关联的）会被旋转到径向平面，并且保持径向平面内原始定义的方向。所有已经施加的约束都会在三维模型内被重置为0.一般用于二维带扭转的轴对称单元。位移不是整体位移。为了一致性，其它节点的位移（刚性目标节点）会被设置 为0有利于再平衡，结束当前载荷步，然后再添加新的三维载荷。设置K

20、EYBC = 1只有带有边界条件的节点才 会在局部坐标系内旋转当Map2dto3d,finish执 行后，约束条件得到正 确映射。40节点、边界条件和载荷41施加的载荷:与EEXTRUDE命令中的KEYBC选项无关，所有的载荷都会被映射到三维模型。三维模型的压力=二维模型的压力三维模型中的集中力= (二维模型集中力/节点数量)* 权重系数当作作用在边上的压力处理二维模型的扭矩（带扭转的情况）转化为三维模型中的节点力不再包含ROTY自由度边界条件、载荷和自由度映射通过以下命令完成。MAP2DTO3D, FINISH载荷映射压力从二维模型到三维模型通过MAP2DTO3D指令正确映射。EEXTRUD

21、EMap2dto3d42再平衡43MAP2DTO3D,SOLVE,VALUE1,抽取单元结果到三维模型进行再平衡计算使用了和MAPSOLVE一样的逻辑，和网格重划分中的NLAD指令类似。具有同NLAD一样的限制条件。单元坐标系和使用网格划分器生成的普通三维单元不同。单元坐标系的方向的XY方向和在径向平面内被旋转的二维单元一致，第 三个方向是圆周方向（圆柱坐标系）。Value1再平衡计算中的最少子步数量默认值500二维模型到三维模型的再平衡二维轮胎模型带有扭转的PLANE182单元REINF263EEXTRUDE,AXIS三维轮胎模型SOLID185 单元REINF26544EEXTRUDE指令

22、中的“Axis”选项用于从二维模型生成三维模型映射材料属性、单元类型和材料方向（REBAR).Tire Model二维模型到三维模型的再平衡MAP2DTO3D命令用于映射二维结果到三维模型上，并且进行再平衡计算。同样会把边界条件、载荷、接触和目标单元从二维模型映射到三维模型。EEXTRUDE,AXISMAP2DTO3DSEQVEEXTRUDE,AXISMAP2DTO3DSxz45二维模型到三维模型的再平衡MAP2DTO3D命令用于映射二维结果到三维模型上，并且进行再平衡计算。下图显示的是从二维模型映射到三维模型的应变结果（EPTOxz）EEXTRUDE,AXISMAP2DTO3DEPTOxzEPTOxz46二维到三维分析的例子Map2dto3dMap2dto3d截面显示真实的轮胎模型:SEQVPlotSEQVPlotEPTOEQVPlotEPTOEQVPlot截面显示EEXTRUDE,Tire47EEXTRUDE,Tire继续进行三维分析压印结果截面显示通过一