本發(fā)明涉及輪胎仿真設(shè)計(jì)，尤其涉及一種子午線輪胎胎圈壓力的仿真方法、系統(tǒng)和程序產(chǎn)品。

背景技術(shù)：

1、子午線輪胎胎圈壓力是影響輪胎與輪輞連接緊密程度、確保行車安全的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。胎圈壓力過低可能導(dǎo)致輪胎與輪輞間連接不牢，引發(fā)輪胎緩慢漏氣、滑移，甚至在高速行駛或緊急制動(dòng)等極端工況下導(dǎo)致輪胎與輪輞脫開，從而使車輛失控，嚴(yán)重威脅行車安全。相反，胎圈壓力過高雖可增強(qiáng)連接強(qiáng)度，但會(huì)導(dǎo)致輪胎安裝和拆卸困難，甚至可能損壞胎圈結(jié)構(gòu)，縮短輪胎使用壽命。因此，合理預(yù)測(cè)胎圈壓力是輪胎設(shè)計(jì)中的重要課題。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，胎圈壓力的評(píng)估方法主要包括實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值仿真方法。實(shí)驗(yàn)方法通常依賴標(biāo)準(zhǔn)化的試驗(yàn)流程（如團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)t/cria29002-2022），需要經(jīng)過模具開發(fā)、輪胎成型、硫化及測(cè)試等一系列復(fù)雜步驟，具有成本高、周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，不利于輪胎設(shè)計(jì)階段快速迭代。相比之下，數(shù)值仿真方法因其成本低、效率高，逐漸成為胎圈壓力預(yù)測(cè)的主流手段。

3、目前的數(shù)值仿真方法主要包括以下兩種：1、軸對(duì)稱模型方法：通過建立輪胎和輪輞的軸對(duì)稱有限元模型，模擬加載工況下的胎圈壓力。然而，該方法假設(shè)輪輞半徑在加載過程中變化，與實(shí)際試驗(yàn)中的分離式輪輞結(jié)構(gòu)不符，導(dǎo)致仿真結(jié)果的精度較低。2、三維模型再編輯方法：利用abaqus/standard軟件將軸對(duì)稱模型轉(zhuǎn)換為三維模型，重新定義材料方向、材料參數(shù)、邊界條件及輪輞接觸面等，模擬輪胎真實(shí)工況下的胎圈壓力。雖然該方法能更精確地模擬胎圈壓力分布，但需要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力編輯三維模型，建模效率低，且后處理步驟復(fù)雜，不利于快速迭代。

4、盡管，申請(qǐng)人申請(qǐng)的中國(guó)發(fā)明專利（如專利2021116135564、專利2022100923567和專利2022105620611）提出了若干針對(duì)輪胎性能的仿真分析方法，但是現(xiàn)有的數(shù)值仿真方法在精度和效率之間難以取得平衡，尤其是三維模型再編輯方法，因其高建模難度和低效率，不易被一般輪胎設(shè)計(jì)人員快速掌握。這些問題限制了胎圈壓力仿真技術(shù)的推廣和應(yīng)用。因此，亟需一種既能保持高精度，又具有低建模難度和高效率的胎圈壓力仿真方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的子午線輪胎胎圈壓力仿真方法，通過建立軸對(duì)稱模型并結(jié)合周期旋轉(zhuǎn)規(guī)律生成三維模型，同時(shí)應(yīng)用生死單元技術(shù)自動(dòng)處理輪輞活絡(luò)塊的單元狀態(tài)，不僅提高了建模效率，還簡(jiǎn)化了后處理過程，顯著提升了仿真結(jié)果的精確性和實(shí)用性。該方法為輪胎設(shè)計(jì)人員提供了高效、易用的仿真工具，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案：

3、一種子午線輪胎胎圈壓力的仿真方法，包括以下步驟：

4、1)基于輪胎和輪輞的材料分布圖建立軸對(duì)稱有限元模型，將胎體、冠帶和帶束等增強(qiáng)部件劃分為軸對(duì)稱四邊形單元，賦予線彈性材料參數(shù)和密度；

5、2)在軸對(duì)稱模型的基礎(chǔ)上，通過周期旋轉(zhuǎn)規(guī)律生成輪胎和輪輞的三維有限元模型，其中輪輞的每個(gè)45°輪輞活絡(luò)塊相鄰處預(yù)留角度θ的輪輞斷面作為需“殺死”的單元；

6、3)根據(jù)公式定義軸對(duì)稱單元旋轉(zhuǎn)生成后的單元編號(hào)，并將需“殺死”的單元和保留的單元分別定義為集合；

7、4)在仿真計(jì)算中，應(yīng)用生死單元技術(shù)，將需“殺死”的輪輞斷面單元屬性設(shè)置為“死”，其余單元參與計(jì)算；

8、5)根據(jù)試驗(yàn)工況，對(duì)輪輞施加膨脹和約束條件，仿真胎圈壓力并提取結(jié)果。

9、作為優(yōu)選，所述步驟1)中，使用軸對(duì)稱rebar單元來表征增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，用軸對(duì)稱殼單元建立未膨脹輪輞半徑為d，輪輞膨脹后的名義直徑為d的輪輞；設(shè)置胎圈外表面為接觸面；據(jù)輪胎實(shí)際材料測(cè)試為橡膠單元和骨架單元賦予線彈性材料參數(shù)和密度；在abaqus有限元程序中對(duì)于該軸對(duì)稱模型的所有節(jié)點(diǎn)施加全固定約束，并完成計(jì)算。

10、作為優(yōu)選，所述步驟3)中，通過python程序自動(dòng)生成三維輪胎和輪輞模型，并根據(jù)以下公式計(jì)算需“殺死”單元的編號(hào)：

11、

12、其中，nijs為單元編號(hào)，ni為軸對(duì)稱單元編號(hào)，ns為斷面編號(hào)，nj為第j個(gè)45°輪輞活絡(luò)塊編號(hào)，m為單元編號(hào)偏移量，nt為45°輪輞活絡(luò)塊內(nèi)斷面總數(shù)。

13、作為優(yōu)選，所述步驟3)中，輪輞活絡(luò)塊保留的單元通過耦合指令與輪胎軸中心點(diǎn)的參考點(diǎn)進(jìn)行綁定。

14、作為優(yōu)選，所述步驟4)中，仿真過程利用abaqus軟件的生死單元技術(shù)處理“殺死”單元，確保該部分單元不參與計(jì)算。

15、作為優(yōu)選，所述步驟5)中，對(duì)輪輞施加的約束包括相對(duì)于名義直徑d分別減小0.29mm和增大0.38mm的兩種工況。

16、進(jìn)一步，本發(fā)明還提供了一種用于子午線輪胎胎圈壓力仿真的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所述的方法，包括：

17、建模模塊，用于基于輪胎和輪輞的材料分布圖建立軸對(duì)稱有限元模型；

18、三維模型生成模塊，用于將軸對(duì)稱模型生成三維輪胎和輪輞模型，自動(dòng)定義輪輞活絡(luò)塊及需“殺死”的單元；

19、單元管理模塊，用于根據(jù)需“殺死”的單元和保留的單元定義集合，并設(shè)置與輪胎軸參考點(diǎn)的耦合關(guān)系；

20、仿真模塊，用于施加膨脹約束及生死單元技術(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算；

21、后處理模塊，用于提取仿真結(jié)果并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析。

22、作為現(xiàn)有，所述建模模塊通過python腳本自動(dòng)化生成仿真模型及計(jì)算文件；所述單元管理模塊能夠基于公式自動(dòng)計(jì)算45°輪輞活絡(luò)塊內(nèi)單元的編號(hào)和狀態(tài)，并將其分別歸入“殺死”單元集合和保留單元集合；仿真模塊結(jié)合了abaqus軟件，用于模擬胎圈壓力在不同膨脹工況下的變化，以評(píng)估胎圈與輪輞的接觸緊密性和安全性能。

23、進(jìn)一步，本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序或指令，該計(jì)算機(jī)程序或指令被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述方法。

24、進(jìn)一步，本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序或指令，該計(jì)算機(jī)程序或指令被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述方法。

25、本發(fā)明由于采用了上述的技術(shù)方案，提出了一種用于子午線輪胎胎圈壓力的仿真方法及系統(tǒng)，通過改進(jìn)建模流程和優(yōu)化仿真計(jì)算，顯著提升了仿真效率和精度，并實(shí)現(xiàn)了以下技術(shù)效果：

26、1、提高建模效率：本發(fā)明通過建立軸對(duì)稱有限元模型，并基于周期旋轉(zhuǎn)規(guī)律自動(dòng)生成三維模型，無需手動(dòng)編輯三維輪胎和輪輞模型，避免了傳統(tǒng)三維模型再編輯方法中復(fù)雜的材料方向、邊界條件和接觸關(guān)系重新設(shè)定的過程。同時(shí)，通過python腳本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，僅需約5分鐘即可完成模型建立，建模效率比傳統(tǒng)三維模型再編輯方法提高了16倍，達(dá)到與軸對(duì)稱方法相當(dāng)?shù)母咝省?/p>

27、2、降低建模難度：本發(fā)明采用生死單元技術(shù)對(duì)輪輞活絡(luò)塊的“殺死”單元進(jìn)行自動(dòng)化定義，并通過集合管理方法快速處理需參與計(jì)算和排除的單元。設(shè)計(jì)人員只需輸入基礎(chǔ)參數(shù)，無需深入操作復(fù)雜的三維模型編輯工具，從而降低了建模門檻，使一般輪胎設(shè)計(jì)人員能夠快速掌握仿真流程。

28、3、提升仿真精度：本發(fā)明在三維模型生成過程中，通過自動(dòng)定義輪輞活絡(luò)塊結(jié)構(gòu)及非線性接觸模型，精確模擬了胎圈壓力在實(shí)際試驗(yàn)工況下的分布特性。仿真結(jié)果表明，與軸對(duì)稱方法相比，本發(fā)明的方法在胎圈壓力仿真精度上提高了10%以上，其精度與實(shí)測(cè)結(jié)果誤差控制在較低范圍內(nèi)，滿足工程應(yīng)用需求。

29、4、簡(jiǎn)化后處理步驟：本發(fā)明通過定義柱坐標(biāo)系和自動(dòng)化編程技術(shù)，簡(jiǎn)化了仿真后處理過程，無需再額外建立特殊坐標(biāo)系或轉(zhuǎn)換計(jì)算結(jié)果。仿真結(jié)果能夠直接以胎圈壓力分布圖、接觸力分布圖等形式輸出，大幅減少了后處理的時(shí)間和工作量。

30、5、更符合實(shí)際工況：本發(fā)明在仿真過程中，通過對(duì)輪輞直徑施加膨脹和兩種變形約束（減小0.29mm和增大0.38mm），充分模擬了實(shí)際試驗(yàn)工況下的胎圈壓力變化情況。仿真結(jié)果顯示，無論是輪輞膨脹還是變形條件下，均能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)胎圈壓力的分布，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。

31、6、節(jié)約成本與時(shí)間：相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，本發(fā)明避免了模具開發(fā)、輪胎成型、硫化及測(cè)試等繁瑣流程，僅通過數(shù)值仿真即可快速完成胎圈壓力預(yù)測(cè)，顯著降低了開發(fā)成本，縮短了設(shè)計(jì)周期，為輪胎設(shè)計(jì)的快速迭代提供了有力支持。

32、綜上所述，本發(fā)明在保證高精度仿真的同時(shí)，降低了建模難度，提升了建模效率，簡(jiǎn)化了后處理步驟，顯著縮短了胎圈壓力仿真所需時(shí)間，為子午線輪胎的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了一種高效、精準(zhǔn)、易用的工具，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。