Содержание к диссертации
Введение
1 Методы исследования напряженно-деформированного состояния, температуры саморазогрева и циклической долговечности резинокордных композитов и пневматических шин 12
1.1 Конструкции пневматических шин. Нагрузки и отказы в эксплуатации 12
1.1.1 Анализ видов отказов и ресурса пневматических шин по усталостным разрушениям 14
1.2 Методы расчета НДС пневматических шин 20
1.3 Экспериментальные методы исследования НДС пневматических шин 30
1.4 Исследования температуры саморазогрева пневматических шин. 36
1.4.1 Упруго-гистерезсные свойства наполненных резин 36
1.4.2 Экспериментальные и расчетные методы определения температуры саморазогрева пневматических шин 42
1.5 Циклическая долговечность резин и резинокордных композитов 46
1.5.1 Критерии циклической долговечности резинокордных композитов 55
1.6 Расчетные и экспериментальные методы определения циклической долговечности пневматических шин 58
1.7 Определение динамических нагрузок на шину при движении по дорогам различных типов 65
1.8 Методы конструирования пневматических шин 68
2 Разработка моделей многослойной структуры шины, резинокордных слоев и нитей корда для исследования напряженно-деформированного состояния пневматических шин в трехмерной постановке с использованием метода конечных элементов 71
2.1 Метод конечных элементов 71
2.1.1 Расчет НДС пневматических шин МКЭ з
2.1.2 Расчет НДС осесимметричной задачи действия на шину внутреннего давления 75
2.1.3 Определение НДС пневматических шин в геометрически нелинейной постановке 78
2.1.4 Расчет НДС при действии на шину нормальной нагрузки с учетом сил трения в контакте 81
2.1.5 Моделирование многослойной резинокордной структуры пневматических шин 86
2.2 Расчетные исследования влияния способа моделирования резинокордных слоев шины на ее НДС 92
3 Расчетно-экспериментальный метод определения НДС пневматических шин от действия механических нагрузок 103
3.1 Выбор способов моделирования резинокордных слоев для определения габаритов шины и деформаций ее наружной поверхности 104
3.2 Выбор способов моделирования резинокордных слоев для определения НДС ее внутренних областей 106
3.3 Влияние степени детализации структуры шины на НДС ее внутренних областей 117
4. Расчетно-экспериментальный метод определения контактных напряжений в зоне контакта шины с дорогой 122
4.1 Влияние способа моделирования рисунка протектора на распределение контактных напряжений 122
4.2 Влияние способа моделирования армирующих слоев шины нараспределение контактных напряжений 128
5 Расчетно-экспериментальный метод анализа температурных полей и термонапряжений пневматических шин 137
5.1 Расчет стационарного поля температур пневматических шин 137
5.2 Расчет нестационарного поля температур пневматических шин 147 5.3 Расчет потерь на качение 148
5.4 Расчет термонапряжений в многослойной структуре
пневматических шин 153
6 Исследование циклической долговечности пневматических шин 155
6.1 Проведение усталостных испытаний и построение кривых усталости для резинокордных композитов 155
6.1.2 Характер разрушения резинокордных образцов 162
6.2 Критерии циклической долговечности резинокордных композитов 164
6.3 Определение циклической долговечности деталей пневматических шин 167
6.3.1 Определение циклической долговечности брекера 168
6.3.1.1 Определение циклической долговечности 2-х слойного брекера легковых радиальных шин 169
6.3.1.2 Определение циклической долговечности многослойного брекера грузовых радиальных шин 173
6.3.1.3 Определение циклической долговечности плечевой зоны диагональных шин 177
6.3.2 Определение циклической долговечности надбортовой зоны радиальных шин 180
6.3.2.1 Определение циклической долговечности надбортовой зоны однослойных радиальных шин 180
6.3.2.2 Определение циклической долговечности надбортовой зоны многослойных радиальных шин 185
6.3.3 Определение циклической долговечности каркаса 189
6.3.4 Определение максимальной скорости пневматических шин 193
6.4 Расчет циклической долговечности зоны кромок брекера
легковых шин с учетом динамических нагрузок 197
7 Повышение циклической долговечности пневматических шин 201
7.1 Влияние конфигурации профиля шины по пресс-форме на циклическую долговечность шины 201
7.2 Повышение циклической долговечности многослойного брекера радиальных грузовых шин 206
7.3 Исследование циклической долговечности грузовых шин с различной конструкцией каркаса 210
7.4 Повышение циклической долговечности многослойных резинокордных деталей шин 214
7.5 Повышение циклической долговечности зоны кромок брекера при высоких скоростях движения 219
7.6 Конструирование пневматических шин с повышенной циклической долговечностью 224
Основные результаты и выводы 234
Литература 237
- Упруго-гистерезсные свойства наполненных резин
- Определение НДС пневматических шин в геометрически нелинейной постановке
- Выбор способов моделирования резинокордных слоев для определения НДС ее внутренних областей
- Влияние способа моделирования армирующих слоев шины нараспределение контактных напряжений
Введение к работе
Актуальность проблемы. Пневматические шины являются сложным и весьма ответственным элементом конструкции транспортных средств (автомобилей, тракторов, самолетов и др.). Шины обеспечивают основные эксплуатационные характеристики автомобилей: надежность и долговечность, устойчивость и управляемость, комфортабельность, скоростные и тормозные свойства. Шина представляет собой предварительно-напряженную композитную (резинокордную) конструкцию, состоящую из резиновых деталей разной жесткости, а также из резинокордных слоев (каркас, брекер, усиливающие элементы). В процессе эксплуатации на шину действует сложная система динамических нагрузок со стороны дороги и автомобиля, в ее конструкции возникают большие перемещения и деформации. Механика пневматической шины сформировалась в отдельный раздел механики деформируемых тел. Методы расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) пневматических шин, развитые в трудах В. Л. Бидермана, Б. Л. Бухина, Э. Н. Григолюка, Г. М. Куликова, О. Б. Третьякова, А. Е. Белкина, Э. Н. Кваши, А. А. Плеханова, А. П. Прусакова, И. К. Николаева, О. Н. Мухина и зарубежных авторов (S. K. Clark, J. D. Walter (США), T. Akasaka (Япония), F. Boehm (Германия)), основанные на различных теориях оболочек и одномерных объектов (кольцо на упругом основании) не позволяют получить подробную информацию о распределении и концентрации напряжений в шинах. Проблема разработки методов расчета НДС многослойных композитных оболочек вращения с приложением к шинам, имеющим ярко выраженную неоднородность физико-механических свойств, еще не является окончательно решенной. В последние годы для анализа НДС в конструкциях шин все более широкое применение получает метод конечных элементов (МКЭ), позволяющий моделировать сложную конструкцию шины без излишней схематизации в геометрически и физически нелинейной постановках. Однако при расчете сложных трехмерных конструкций при использовании этого метода могут возникнуть значительные погрешности, поэтому результаты расчетов МКЭ необходимо проверять с использованием результатов экспериментальных исследований.
В сложной конструкции пневматических шин существуют зоны концентрации напряжений, которые могут вызывать преждевременные разрушения в процессе эксплуатации. Усталостные разрушения приводят к снижению ресурса шин до 20-25% от расчетной величины ресурса по износу. Поэтому анализ НДС и прогнозирование долговечности в зонах концентрации напряжений пневматических шин на стадии проектирования является актуальной и важной проблемой.
Для различного типа шин (легковые, грузовые, крупногабаритные) характерны специфические типы нагрузок. Для легковых шин - это предельно высокие скорости движения. Для грузовых шин - высокие нагрузки в сочетании с длительным движением, с высокими скоростями и значительной температурой саморазогрева шины. Эксплуатация крупногабаритных и сверхкрупногабаритных шин характеризуется предельными режимами саморазогрева при движении, что требует ограничения максимальных скоростей движения и принудительного резервирования времени для их остывания. Поэтому при оценке циклической долговечности различных типов пневматических шин необходимо учитывать специфику их работы, характеризующуюся максимальной нагрузкой, скоростью и степенью саморазогрева шины в эксплуатации.
При движении по дорогам различных типов автомобиль и шины испытывают значительные динамические нагрузки, в несколько раз превосходящие номинальные значения. Учет динамических перегрузок необходим для надлежащего расчета прочности и долговечности шин. В настоящее время прочностные расчеты пневматических шин производятся для номинальных значений нагрузок на шину, соответствующую индексу нагрузки на шину, без учета динамических перегрузок. Это не позволяет определить величину циклической долговечности отдельных деталей шины и шины в целом для различных условий эксплуатации, и прогнозировать зоны и характер усталостных разрушений.
Для резинокордных систем применялись критерии циклической долговечности только при двухосном НДС для покровной резины боковины и ре- зинокордного слоя каркаса радиальных и диагональных шин, что затрудняет оценку циклической долговечности для общего случая трехосного НДС, наблюдающегося в зонах концентрации напряжений пневматических шин. Достижения в области вычислительной механики разрушения позволяют применять понятия J-интеграла, величину плотности энергии деформации и других показателей механики разрушения к прогнозу процессов разрушения пневматических шин. Однако механизмы образования и разрастания трещин различаются между собой. Циклическая долговечность резин с начальным повреждениям (надрезом или проколом) существенно ниже долговечности монолитных образцов, что снижает ценность исследований процесса разрастания трещин для прогнозирования долговечности. Общепринятого подхода к оценке циклической долговечности резинокордных композитов в настоящее время не сформировано. Нередко для оценки качества резин и резино- кордных систем используются показатели статической прочности при разрыве и статической прочности связи по Н-методу, что может привести к неправильным оценкам как свойств резин при переменных деформациях, так и циклической долговечности деталей шин. Поэтому разработка методов оценки и критериев циклической долговечности резинокордного композита с учетом параметров циклов деформирования для общего случая трехосного НДС и температуры саморазогрева является актуальной проблемой.
Основной целью настоящей работы является развитие методов исследования НДС многослойных анизотропных конструкций шин, как трехмерных объектов, с помощью МКЭ и разработка расчетно-экспериментальных методов, основанных на совместном использовании МКЭ и современных методов экспериментальной механики. Для анализа НДС шин от действия механических нагрузок разработан метод использования МКЭ совместно с методом «замораживаемых» вклеек из фотоупругого материала холодного отверждения. Этот метод эффективен для анализа НДС шин от действия внутреннего давления и нормальной нагрузки на шину. Разработан также расчет- но-экспериментальный метод исследования напряжений в зоне контакта шины с дорогой, основанный на совместном использовании МКЭ со специальными датчиками и устройствами, а также метод определения тепловых полей и термонапряжений в шинах, основанный на совместном использовании МКЭ и микротермодатчиков.
На основе исследования НДС, температуры и циклической долговечности резинокордных композитов разработан метод прогнозирования циклической долговечности пневматических шин.
С применением разработанных методов получены новые данные о распределении и концентрации напряжений в шинах, разработаны новые конструкции шин с повышенной циклической долговечностью.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработка математических моделей многослойной структуры шины, резинокордных слоев и нитей корда для расчетов концентраций напряжений пневматических шин в трехмерной постановке с помощью МКЭ.
-
Разработка расчетно-экспериментального метода анализа НДС шин при действии механических нагрузок (внутреннее давление и нормальная нагрузка), основанном на совместном использовании МКЭ и метода «замораживаемых» фотоупругих вклеек.
-
Разработка расчетно-экспериментального метода исследования контактных напряжений, основанного на совместном использовании МКЭ и датчиков контактных напряжений и тензометрических плит.
-
Разработка расчетно-экспериментального метода анализа полей температуры и термонапряжений в шине, основанного на совместном использовании МКЭ и системы микротерморезисторов.
-
Разработка критерия циклической долговечности резинокордных элементов шин с учетом уровня деформаций и разогрева шин, а также методики испытаний резинокордных композитов на циклическую долговечность.
-
Разработка метода прогнозирования циклической долговечности пневматических шин.
-
На основе проведенных расчетов и экспериментальных исследований получены новые данные о распределении и концентрации напряжений в шинах и разработаны новые конструкции шин повышенной долговечности.
Практическая ценность работы.
Разработано программное обеспечение для персональных компьютеров типа IBM PC для формирования моделей пневматических шин для расчета МКЭ и отображения получаемой информации в графическом и текстовом виде. Разработана и внедрена в практику конструирования методика расчета НДС, теплового состояния и циклической долговечности пневматических шин на основе МКЭ.
С помощью разработанного в работе метода создания конструкций пневматических шин с повышенной циклической долговечностью спроектированы пневматические шины с улучшенными характеристиками для шинных заводов России и стран СНГ, серийно выпускающиеся в настоящее время.
Апробация работы. Результаты исследований по отдельным разделам диссертационной работы докладывались:
-
на симпозиумах «Проблемы шин и резинокордных композитов», г. Москва, в 2003-2010г.г.,
-
на Международной научно-практической конференции «Резиновая промышленность. Сырье. Материалы. Технологии», г. Москва, в 2005, 2009 и 2010г.г.,
-
на Международной конференции по каучуку и резине «Rubber-2004», г. Москва, в 2004г.,
-
на Международных конференциях молодых ученых по современным проблемам машиноведения, г. Москва, в 2006-2008, 2010г.г.,
-
на Международной конференции по теории механизмов и механике машин, г. Краснодар, в 2006г.,
-
на Международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», г. Ярополец Моск. обл., в 2008, 2010 и 2011 г.г.,
-
на Всероссийской научно-технической конференции «Машиноведение и детали машин», посвященной 100-летию со дня рождения проф. Д. Н. Решетова, Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, в 2008г.,
-
на 8-й Украинской с международным участием научно-технической конференции резинщиков «Эластомеры: материалы, технология, оборудование, изделия», г. Днепропетровск, в 2010г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 38 печатных работах, из них 10 в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, технические решения защищены 2 патентами РФ, 1 патентом РФ на полезную модель, программное обеспечение - свидетельством об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных результатов и списка литературы. Объем диссертации составляет 257 страниц, 172 рисунка, 220 наименований литературы, в том числе 76 зарубежных источников.
Упруго-гистерезсные свойства наполненных резин
Полосы на рисунке 1.17а соответствуют линиям интерференции при просвечивании прозрачной модели поляризованным светом и обозначают точки модели с одинаковой величиной разности напряжений (о\ — аз) - 2xmax . При расшифровке картины полос каждой полосе, которая соответствует величине ттах, присваивается индекс (номер полосы), и по оптической постоянной материала вклейки и толщине вклейки определяется уровень напряжений, соответствующий порядку полосы. Для данного примера, показанного на рисунке 1.17а, порядок полосы равный 1 соответствует действующему на 34 пряжению сдвига ттах равному 0,03 МПа, для номера полосы 2 напряжение сдвига ттах равно 0,06 МПа и т.д. (в полосе 5,9 действует напряжение сдвига Ттах равное 0,17 МПа).
Область максимальных напряжений на кромке заворота каркаса (А) соответствует зоне начала образования трещины в шине при испытаниях. Важнейшими характеристиками конструкции шины являются параметры зоны контакта с опорной поверхностью (размеры пятна контакта, форма отпечатка, распределение контактных давлений по отпечатку). Распределение контактных давлений по зоне контакта шины с опорной поверхностью определяет нагрузку на элементы рисунка протектора, подканавочный слой протектора и влияет на распределение температуры по профилю шины. Экспериментальным исследованиям контактных давлений по отпечатку посвящены работы, в которых использовались единичные датчики замера контактных напряжений в зоне контакта (В.И.Новопольский, О.Б.Третьяков [80, 81, 120, 121, 126). Общий вид устройства для измерения 3-х компонентов контактных напряжений (нормальных, касательных продольных и поперечных) показан на рисунке 1.18.
Контактные напряжения от элемента рисунка протектора передаются на измерительный стержень 1, жестко соединенный с крестообразным упругим элементом 2, закрепленные на котором тензодатчики фиксируют продольные и поперечные касательные напряжения.
Измерительный стержень через шаровое сочленение 6 воздействует на второй упругий элемент 3 в виде балки, закрепленные на котором тензодатчики фиксируют нормальные контактные напряжения. Жесткости упругих элементов подобраны соответствующим образом, чтобы реагировать только на соответствующие воздействия. Распределение компонентов контактных напряжений в виде графиков экстремальных значений при прохождении шины через зону контакта показано на рисунке 1.19а.
Целостную картину распределения контактных давлений по всей площади отпечатка позволяет получить измерительная система «EMED» фирмы Novel (Германия) на основе тензометрической плиты (рисунок 1.196) (Н.В.Соколова [111, 115, 116]). Плита представляет собой эластичный мат, покрытый послойно-перекрещивающимися чувствительными элементами емкостного типа размером 5x5 мм. Всего имеется 2000 чувствительных элементов. Допускается статическое воздействие на шину на горизонтальную плоскость и медленное качение по плоскости, при этом замеры осуществляются через определенные промежутки времени. - измерительный стержень; 2 - крестообразный упругий элемент; 3 - упругий элемент для измерения нормальной нагрузки; 4 - тензодатчики; 5 - опорная плита; 6 - шаровое сочленения; 7 - фланец; 8 - стакан; 9 - разъем; 10 - крепежное кольцо упругого элемента; 11 - крепежное кольцо крестообразного упругого элемента.
Существуют методы с большим разрешением (например, аналогичное оборудование фирмы XSensor позволяет проводить замеры контактных напряжений с разрешением 1,15x1,15 мм). Тензометрические плиты ф. Tekscan с разрешением до 1 х 1 мм основаны на методе замера сопротивления между системой перекрещивающихся нитей из углеродных волокон.
Упруго-гистерезисные свойства наполненных резин Резина обладает свойством гистерезиса, т.е. при приложении переменной внешней нагрузки деформация запаздывает, отстает по времени от графика нагрузки. При этом часть энергии деформирования переходит в тепловую энергию, что является причиной саморазогрева пневматических шин при качении. Кривая растяжения и последующей разгрузки резины имеет характерную петлю, площадь которой составляет потери механической энергии, трансформирующиеся в тепловую энергию (рисунок 1.20 [3]). Вопросам потерь энергии в шинах при качении посвящены многие работы (например, J. D. Walter и F. S. Conant [215]).
Определение НДС пневматических шин в геометрически нелинейной постановке
В качестве расчетного метода для определения НДС радиальных шин при эксплуатационной нагрузке (действие внутреннего давления и нормальной нагрузки) в работе использовался метод конечных элементов (МКЭ). Имеется обширная литература по применению МКЭ к расчету НДС и теплового состояния технических объектов (например, [44]). МКЭ имеет те же принципиальные основы, что и вариационно-разностный метод. Рассматриваемую область расчленяют на конечное число мелких элементов -конечных элементов (КЭ). В пределах элементов перемещения представляют с помощью суммы аппроксимирующих функций. Число параметров функций выбирается равным числу узлов элементов, что дает возможность выразить перемещения как линейные функции узловых перемещений этого же элемента. Для всего тела формируется матрица аппроксимирующих функций. Вектор деформаций записывается с помощью матрицы дифференцирования. В соответствии с законом упругости записывается матричное уравнение для вектора напряжений. Из принципа возможных перемещений следует, что действительному напряженному состоянию упругого тела соответствует минимум полной энергии деформации, т.е. ее вариация равна нулю. Для получения разрешающей системы уравнений используют этот принцип для всего тела, что обеспечивает выполнение условия равновесия. В итоге получается система линейных алгебраических уравнений, порядок которой пропорционален числу узлов конечных элементов. По физическому смыслу система уравнений представляет собой уравнения равновесия системы (в перемещениях). Для получения единственного решения система должна быть дополнена граничными условиями в перемещениях. Система линейных уравнений решается точными методами (Гаусса, Холецкого или другими).
Определив из уравнений узловые перемещения, можно с помощью матриц обратных преобразований найти напряжения и деформации. 2.1.1 Расчет НДС пневматических шин МКЭ
В связи с широким распространением МКЭ в настоящее время существует ряд стандартных пакетов программ, позволяющих использовать этот метод для расчетов различных технических объектов, в том числе и шин. Известны отечественные разработки («Лира», SCAD, «СПРИНТ» -система прочностных расчетов института транспорта [142], «BASYS» [144]) и зарубежные (NONSAP, ANSYS, NASTRAN, MARC, LS-DYNA, ABAQUS, ADINA и другие).
Коммерческие пакеты программ МКЭ (например, NASTRAN, MARC, ABAQUS) имеют возможности, которые могут использоваться для расчета различных характеристик шин [209]. Эти возможности позволяют осуществить следующие процедуры для исследования характеристик шин:
- формирование конечно-элементной математической модели шины, включающей собственно структуру шины, определение перемещений при посадке шины на обод (граничные условия) и задание внешних нагрузок в виде внутреннего давления и нормальной нагрузки с помощью специализированных программ «Препроцессор», - создание и расчет НДС осесимметричной модели шины для осуществления посадки на обод и моделирование действия внутреннего давления, - создание и расчет НДС трехмерной модели шины для моделирования действия локальных нагрузок (сосредоточенных сил и взаимодействие с дорожным покрытием), - расчет НДС при движении шины по плоскости с различными скоростями на основе трехмерной модели шины, - специализированные программы «Постпроцессор» для отображения результатов расчетов в графическом и текстовом виде.
Не смотря на значительное число публикаций, посвященных применению МКЭ для расчета различных характеристик шин, работ, посвященных исследованиям циклической долговечности пневматических шин сравнительно немного (например, [162, 213]). Поэтому изучение применимости МКЭ для определения НДС многослойной анизотропной конструкции пневматических шин и циклической долговечности является актуальной проблемой. Для расчета МКЭ необходимо создать с помощью имеющихся в используемом программном комплексе набора КЭ математическую модель объекта исследований, задать тип нагрузки в виде сил или перемещений соответствующих узлов, выбрать метод решения системы уравнений. Этот процесс в той или иной степени автоматизирован с помощью специальных программ, называемых «Препроцессор», и являющихся частью программных комплексов МКЭ [61, 72, 112].
После создания математической модели объекта и задания нагрузок осуществляется расчет с помощью ЭВМ, который включает диагностику модели, формирование различных типов матриц системы уравнений, собственно решение системы уравнений, формирование результатов расчета. Результаты расчетов в виде диаграмм изолиний или картин полос, обозначающих перемещения, напряжения или деформации, группируются в специальных файлах (информационных списках) для последующего отображения на экране дисплея или бумажных носителях с помощью специальных программ «Постпроцессор».
В диссертации расчеты проводились с помощью программного комплекса «BASYS+», разработанного СП «Криста» [144]. Комплекс содержит ставший стандартным набор типов КЭ, включающий стержневые, мембранные, оболочечные и объемные КЭ. В комплексе имеется возможность задания ортотропных упругих свойств мембранных и объемных конечных элементов как относительно локальных координатных осей элементов, так и относительно произвольного координатного базиса (ортогонального или цилиндрического).
Для расчета шины необходимо создать ее трехмерную модель с применением определенных типов КЭ, включающую основные детали шины: слои каркаса и брекера, бортовые кольца и резиновые детали. Вначале, в соответствии с чертежом распределения материалов шины по пресс-форме, создается плоская модель для представления конструкции шины в виде набора КЭ. Схема разбиения поперечного сечения шины на КЭ показана на рисунке 2.1.
Выбор способов моделирования резинокордных слоев для определения НДС ее внутренних областей
Для более точного расчета распределения контактных напряжений по отпечатку шины с опорной поверхностью необходим более подробный учет рисунка. Проведены расчеты формы отпечатка и распределения контактных напряжений для расчетной схемы рисунка протектора в виде отдельных шашек, на примере той же шины 205/70R14. Результаты расчетов показаны на рисунке 4.3.
При моделировании рисунка протектора в виде отдельных шашек, схематически изображающих рисунок протектора, максимальные расчетные значения контактных напряжений по центру беговой дорожки составляют 0,58 - 0,62 МПа, экспериментальные данные - 0,58 - 0,63 МПа. Отличия расчетных значений контактных напряжений в центральной зоне, где они достигают максимальных значений, от экспериментальных составляют 1,5 - 13%. (рисунок 4.3г). Расчетная форма отпечатка приближается к экспериментальной.
Для некоторых типов рисунков протектора более детальные схемы рисунка не приводит к уточнению формы пятна контакта и уменьшению разницы между максимальными значениями контактных напряжений, полученными с помощью расчета и эксперимента. Проведены расчеты распределения контактных напряжений по ширине отпечатка шины 165/70R13 модели Бл-85 для способа моделирования рисунка протектора в виде продольных ребер и детальной схематизированной модели. 01W I 1 і 1 І fr -ТОЛ0 -«2.10 -«.б» 1441 43 2 7142
При моделировании рисунка протектора в виде продольных ребер длина контакта меньше экспериментальных значений до 10%. При этом расчетная длина крайних ребер рисунка протектора больше экспериментальных значений. Уточнение расчетной схемы рисунка протектора не приводит к качественному изменению формы отпечатка шины с дорогой по сравнению с моделью рисунка в виде продольных ребер. Длина контакта меньше экспериментальной на 12%о, форма отпечатка более прямоугольной формы по сравнению с полученной на практике.
При уточнении расчетной схемы рисунка протектора максимальные контактные напряжения по краю беговой дорожки возрастают, что увеличивает различие от экспериментальных данных. Максимальные значения контактных напряжений по углу контакта для модели рисунка в виде продольных ребер составляют 0,625 МПа, для более детальной расчетной схемы рисунка - 0,683 МПа, экспериментальные значения - 0,425 МПа.
Важной характеристикой распределения контактных напряжений является соотношений максимальных значений контактных напряжений по центру и краю беговой дорожки [81]. Эта величина характеризует степень неравномерности распределения контактных напряжений по ширине беговой дорожки. Неравномерность контактных напряжений по ширине беговой дорожки приводит к неравномерному износу шины и увеличению температуре саморазогрева в зонах повышенных напряжений. Способ моделирования рисунка протектора влияет на величину этого показателя. При моделировании рисунка протектора в виде продольных ребер отношение максимальных значений контактных напряжений по краю и центру беговой дорожки для шины 165/70R13 модели Бл-85 составляет 1,74, при более детальной схеме рисунка - 1,52. Для экспериментальных значений контактных напряжений отношение максимальных значений контактных напряжений по краю и центру беговой дорожки составляет 1,25. Таким образом, более подробная схема моделирования рисунка протектора дает более близкие к экспериментальным данным значения неравномерности распределения контактных напряжений по ширине контакта.
При расчете зоны контакта шины с опорной поверхностью необходимая степень детализации рисунка протектора должна определяться на основе сопоставления результатов расчета с экспериментальными данными. Влияние способа моделирования армирующих слоев шины на распределение контактных напряжений
Способ моделирования резинокордных слоев шины влияет не только на НДС пневматических шин (глава 3) но и параметры контакта шины с дорогой (форму пятна контакта и распределение контактных напряжений).
Проведено расчетное исследование влияния способа моделирования слоев брекера на форму пятна контакта и распределение контактных напряжений по отпечатку на примере шин 165/70R13 модели Бл-85 и шины 175/70R13 модели И-Н251. Слои брекера моделировались сочетанием мембранных и объемного изотропного КЭ (первый способ) и сочетанием объемных изотропных КЭ различной жесткости с учетом отдельных проволочек и кручения нити (второй способ). Рисунок протектора моделировался в виде продольных ребер. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментальными данными, полученными с помощью единичных датчиков контактных напряжений. Результаты представлены на рисунках 4.5 и 4.6.
Расчетные исследования влияния способа моделирования рисунка протектора, описанные в предыдущем разделе, проводились для способа моделирования слоев брекера сочетанием мембранных и изотропного КЭ. Как уже отмечалось выше, при таком способе моделирования слоев брекера и моделировании рисунка протектора в виде продольных ребер длина контакта меньше экспериментальных значений до 10%. Расчетная форма отпечатка отличается от фактической конфигурации.
При моделировании слоев брекера объемными изотропными КЭ с учетом отдельных проволочек и кручения нити различие расчетных и экспериментальных данных по длине отпечатка уменьшается до 8%. Расчетная форма пятна контакта становится близкой к экспериментальной (рисунок 4.6 (2)).
При моделировании слоев брекера сочетанием мембранных и объемного изотропного КЭ контактные давления по центру отпечатка легковых шин 165/70R13 и 175/70R13 несколько ниже экспериментальных значений (до 25%). Расчетные значения контактных давлений по углу отпечатка при моделировании слоев брекера мембранными КЭ могут превосходить экспериментальные значения до 1,5 раз.
Влияние способа моделирования армирующих слоев шины нараспределение контактных напряжений
Брекер легковых шин, как правило, состоит из 2-х рабочих слоев из металлического корда. Наибольшие деформации и температуры возникают в зоне кромок брекера.
Моделировалось действие на шину 175/70R13 модели И-Н251 нормальной нагрузки величиной 3972 Н, внутреннего давления 0,2 МПа и скорости 80 км/ч, что соответствует максимальной нагрузке на шину в эксплуатации. На рисунке 6.12 показаны КЭ, моделирующие нити каркаса и брекера и приведены результаты расчета НДС и температуры саморазогрева зоны кромок брекера этой шины.
На основе исследований расчетно-экспериментальным методом деформаций в массиве пневматических шин (глава 3) для моделирования рези-нокордных слоев брекера применено сочетание объемных изотропных элементов различной жесткости с учетом отдельных проволочек и кручения нити. Применяемый в брекере корд типа 4Л22 состоит из 4-х проволочек 00,22 мм. Нити корда моделировались 4-мя КЭ сечением 0,22x0,22 мм (рисунок 6.12а). Нити каркаса из вискозного корда марки 22В 00,8 мм моделировались одним КЭ сечением 0,8x0,8 мм, соответствующим диаметру нити корда.
Угловой размер КЭ по окружности шины составлял 4,39 (82 конечных элементов по окружности шины). Расстояние между отдельными КЭ, моделирующими нити корда, составляло 9 мм. В реальной конструкции брекера шины расстояние между нитями корда составляло 1 мм, т.е. моделировалась каждая 9-я нить корда брекера.
Максимальные расчетные деформации получаются между слоями брекера, где и наблюдаются зоны начала разрушения. Величина максимального значения интенсивности деформации в зоне кромок брекера составляет 8j max = 0,448. Размах цикла интенсивности деформаций, определенный по формуле (6.1) составляет 0,381. Величина є, экв., определенная по формуле (6.2) равна 0,442.
Величины главных деформаций составляют: Єї = 0,385, s2 = 0,008, є3 = -0,380. Тип НДС близок к чистому сдвигу. Для испытаний на усталостную долговечность были выбраны образцы с углом расположения нитей 20 к оси образца, характеризующиеся подобным типом НДС.
Также в этих зонах наблюдается максимальная температура саморазогрева шины (65С), которая должна учитываться при испытаниях на усталостную долговечность резинокордного композита. На рисунке 6.13 показаны кривые циклической долговечности резинокордного композита брекера шины 175/70R13 модели И-Н251, определенные при 20 и 80С.
Расчет числа циклов этой зоны шины до разрушения проводился для кривой циклической долговечности резинокордного композита с металло-кордом и обкладочной резиной брекера при рабочей температуре (65С), которая строилась на основе линейной интерполяции между усталостными кривыми, определенными для 20 и 80С (рисунок 6.13).
Число циклов до разрушения при эквивалентном значении интенсивности деформаций 0,442 составило 9,4x106, что соответствует пробегу 17,1 тыс.
Кривые циклической долговечности резинокордного композита ре-зина-металлокорд для брекера шины 175/70R13 модели И-Н251.
Проведен расчет циклической долговечности брекера шины 165/70R13 модели Бл-85 при нормальной нагрузке величиной 3530 Н, внутреннего давления 0,2 МПа и скорости 80 км/ч, что соответствует максимальной нагрузке на шину в эксплуатации.
В конструкции двухслойного брекера из металлокорда марки 4Л27 этой шины применен экранирующий слой текстильного корда с углом нити 90 к меридиану для увеличения долговечности зоны кромок брекера. Результаты расчетов НДС и температуры приведены на рисунке 6.14.
Нити металлокорда моделировались объемными изотропными КЭ с учетом отдельных проволочек и кручения нити, нити текстильного корда экрана моделировались объемными изотропными КЭ сечением 0,5x0,5 мм, соответствующим диаметру нити корда (рисунок 6.14а).
Применение экранирующего слоя брекера приводит к снижению деформаций в зоне кромок между 1-ми 2-м слоями брекера и смещению зоны максимальных деформаций в область между 1-м слоем брекера и экраном. В
Тип НДС близок к чистому сдвигу. Для испытаний на циклическую долговечность были выбраны образцы с углом расположения нитей 20 к оси образца, характеризующиеся подобным типом НДС.
Усталостные кривые резинокордного композита брекера при 20 и 80С и при рабочих температурах брекера приведены на рисунке 6.15.
Расчетное число циклов до разрушения при эквивалентном значении интенсивности деформаций 0,431 и температуре 51 С составило 9,4x10б, что соответствует пробегу 21,8 тыс. км, что выше циклической долговечности брекера шины 175/70 R13 модели И-Н251. Применение экранирующего слоя брекера повышает циклическую долговечность брекера легковых шин.
Наиболее распространенным типом брекера отечественных грузовых шин является 4-х-слойная конструкция из металлического корда одной марки. Особенностью такой конструкции является неоднородность распределения усилий по слоям брекера и деформаций между слоями. Наибольшие деформации и температуры возникают в зоне кромок между 1-ми 2-м слоями брекера. В работе исследовалась конструкция брекера шины 11,00R20 модели И-111А при максимальных значениях эксплуатационных нагрузок: нормальной нагрузке 25000 Н, внутреннем давлении 0,67 МПа и скорости 60 км/ч. Слои брекера моделировались сочетанием мембранных и изотропного КЭ. Результаты расчетов НДС и температуры саморазогрева представлены на рисунке 6.16.
