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Marc模拟汽车轮胎的建模和稳态滚动的方法
newmaker
为方便具有轮胎非线性分析需求的用户熟悉Marc（Marc Mentat）中轮胎建模的方法和流程，针对某汽车轮胎的装配、充气、在路面承受后轮胎的变形和应力分析进行描述。
CAD 或CAE 软件创建的模型导入到Mentat中进行后续材料参数、边界条件、分析参数等的定义。Mentat提供了多种商用的CAD和CAE软件的接口，具体可以参考Marc用户手册的介绍。本例出示的轮胎模型包括橡胶胎面、带束层、胎冠（tread、base、rubber）以及布帘等加强结构（bead、rebar1、rebar2）。如下图所示：
橡胶材料部分可以采用Marc提供的Mooney模型定义，根据实际材料特性输入相应的材料参数即可。Marc Mentat提供了多种模拟橡胶材料的本构模型和实验曲线拟合工具，用户可以根据供应商提供的或实测的该橡胶材料的实验曲线（应力-应变曲线）选择合适的超弹性材料模型进行拟合，并由Mentat自动计算和应用材料参数到模型中。具体步骤可参考Marc用户手册或基础培训教程中的相关介绍。详细内容可参考mar103教程中的介绍.
对于加强材料，这里包括了两类，一类是金属圈bead结构，直接采用各向同性材料本构模型，输入相应的结构材料参数，例如弹性模量、泊松比等即可。另一类加强筋材料采用嵌入式模型（本例中加强筋单元嵌入到rubber基体材料中），用于模拟轮胎橡胶材料中嵌入的布帘和加强筋结构，这些结构可以指定为Marc中的rebar单元来模拟。Marc支持一种基体材料中同时嵌入多层和多种加强筋材料的定义，这些加强筋结构可以分层分布在基体材料不同的厚度处、加强筋的铺设方向、截面积以及数量等均可以根据实际结构定义。
在Marc Mentat中提供了专门用于定义rebar单元的菜单，在定义加强筋的铺层位置和尺寸参数时，Marc Mentat中提供了加强筋材料（material）、指定加强筋铺层时的厚度方向（Thickness Direction）、加强筋相对指定的厚度方向上的位置（Rel.layer position）、每一层每条加强筋的面积（rebar area）、每一层单位长度上加强筋的数量（# rebars length）、加强筋与参考轴所成角度（angle）等参数设置。如下图所示，以rebar1为例。本例采用二维轴对称模型，旋转轴的方向缺省为X轴方向，本例中相对基体材料所铺设的加强筋各层均指定参考相同的铺层厚度方向，即单元边Edge0-->Edge2（下图箭头指向），这里Edge0即为参考轴向，用户可以通过激活View-Plot Control--Elements Settings-Edges Label显示单元边的序号，如下图所示为rebar1对应单元的单元边序号。其中Edge0边为第一边（Mentat中有斜线的边为第一边，同时也是参考轴向，顺着箭头指向的方向依次为第二边、第三边、第四边）。
在rubber基体材料中嵌入了四层加强筋材料，分别为：
用户在铺层设置完成后，如需确认具体的铺层位置和方向等是否正确，可以在递交分析时通过设置如下选项（Jobs--Properties--Job results--Rebar Verification），将铺层后得到的加强筋材料对应的几何模型写到Mentat模型文件中（jobname_rebar.mud），并在Mentat中直接打开该文件进行确认，如下图为本例中rebar1铺层后加强筋结构的位置。
材料定义完成后，根据装配的工况和充气的压力定义相应边界条件，本例定义了四个边界条件，如下图所示，其中rubber_left为左下侧装配时的外载荷（通过集中力将轮胎推入轮辋中，本例中轮辋使用刚体模拟），rubber_right为右下侧装配时的外载荷边界条件，sym为结构的对称约束条件，pressure为轮胎充气时的内压2.0bar。
分析完成得到的变形后的轮胎应力分布云图如下所示：
二、模拟轮胎装配和充气过程后扩展得到三维实体模型
此时为了确保三维模型继续模拟工作过程时,在初始时刻能够具有装配和充气结束时的变形和应力分布等,需要指定初始条件,选择Mentat中提供的工具,并设置从二维分析结果中获取分析结束时的变形、应力、应变等信息作为三维分析初始时刻的状态定义。
三、模拟三维轮胎模型在路面上承载后的变形和应力分布
下图为分析结束时，路面向上移动25mm后轮胎的变形云图。同时可以查看轮胎内部的应力分布云图。
下图为分析结束时，路面向上移动25mm后轮胎的变形云图。同时可以查看轮胎内部的应力分布云图。
在Job中可以定义轮胎的滚动轴（Axis Of Rotation）和回转轴（Axis Of Cornering），具体如下图所示：
在上述工况下，模拟轮胎的稳态滚动状态下轮胎不同转速下的法向力分布、摩擦力等。如下图所示：
(end)
文章内容仅供参考
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(5/21/2013)
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