本发明提供了一种子午线轮胎半成品部件的设计方法，显著提高施工设计精度，从而提高产品一致性。将轮胎设计材料分布图分为3个子系统进行逆向设计，包括胎面子系统、胎体组子系统和三角胶子系统。逆向设计边界条件与成型过程相反，根据理论设计材料分布，逆向推出各半成品部件的材料分布。通过这种方法，对轮胎各半成品部件进行精确设计，使各半成品部件成型后的形状与理论材料分布相吻合。本发明应用范围广、精度高，能精确设计轮胎半成品部件材料分布图，显著提高成品胎与理论设计轮胎材料分布的一致性，减小轮胎试制次数，缩减轮胎开发周期，降低轮胎开发成本。
1.一种子午线轮胎半成品部件设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)橡胶材料试验数据获取：对每种胶料至少进行一次剪切松弛试验和单轴拉伸试验，获得轮胎各部件的剪切松弛模量和应力-应变曲线，选用广义Maxwell模型和Marlow超弹性模型表征未硫化橡胶的粘性行为和超弹性性能；
(2.1)将轮胎设计材料分布图分为3个子系统，具体包括胎面子系统(2)、胎体组子系统(3)和三角胶子系统(4)，以设计材料分布图为基准，对3个子系统分别进行定位；所述胎面子系统(2)包括胎面胶和胎面胶片，所述胎体组子系统(3)包括胎体、内衬、胎肩垫胶和加强层，所述三角胶子系统(4)包括软三角胶、硬三角胶、隔离胶片和胎圈；子系统中的每个半成品部件使用至少一个弹性元，且部件之间紧密连接；
(2.2)对所述3个子系统分别进行网格离散化，局部应力集中处需细化网格；
(3)半成品部件逆向设计：分别对3个子系统分别进行逆向设计，边界条件与成型过程相反，逆向推出轮胎半成品部件形状；所述边界条件包括压辊滚压压力、充气成型压力、橡胶与成型鼓之间的摩擦系数；结合部件挤出口型基本参数，对得到的各半成品部件形状进行修整，得到半成品部件材料分布图；具体的：以理论设计材料分布中的胎面(6)胶形状为基础，采用成型仿真的方法，在胎面(6)内侧设置一平面刚体(5)，刚体(5)移动到胎面(6)内侧中心位置，并在胎面(6)外侧施加均布压力，将胎面(6)逆向成型到刚体(5)平面上，逆向仿真得到胎面(6)胶半成品部件的形状，即将胎面(6)形状还原为轮胎(1)半成品部件形状；
若考虑胎面(6)的花纹，根据理论材料分布中花纹沟体积和花纹沟的相对位置，胶料在成型过程中体积相等，减去花纹沟胶料，确定胎面(6)胶半成品部件形状；
根据理论材料分布确定三角胶的位置，胎圈(8)固定，三角胶外侧施加均布压力，将三角胶压到其绕胎圈(8)翻转前的位置，对三角胶形状进行修整，得到三角胶半成品部件形状；具体的，根据理论材料分布确定胎体(11)层、内衬层(10)和胎肩垫胶(12)位置，在胎体(11)外侧施加均布气压，同时胎圈(8)向两侧移动，将胎体(11)、内衬层(10)展开到主鼓(7)上，对部件形状修整，得到的半成品部件；
(4)正向成型仿真验证：对得到的半成品部件材料分布进行正向成型仿真，将得到的成品胎与理论设计轮胎进行对比，验证设计方法的可行性。
2.根据权利要求1所述的子午线轮胎半成品部件设计方法，其特征在于，所述3个子系统模型具有多种橡胶模型及帘线-橡胶复合材料的复杂结构。
3.根据权利要求1所述的子午线轮胎半成品部件设计方法，其特征在于，所述3个子系统部件模型均采用轴对称模型。
4.根据权利要求1所述的子午线轮胎半成品部件设计方法，其特征在于，所述橡胶模型物理模型采用粘弹性本构模型，至少包括应力-应变数据、泊松比和松弛模量。
5.根据权利要求2所述的子午线轮胎半成品部件设计方法，其特征在于，所述帘线-橡胶复合材料采用Rebar模型来表征，至少包括帘线密度、横截面积和角度。
一种子午线轮胎半成品部件设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种子午线轮胎的半成品部件设计方法，该方法能够精确设计轮胎半成品部件的材料分布，保证理论设计和实际成品胎的一致性。
背景技术
[0002] 施工设计是轮胎设计到成品胎之间的桥梁，施工设计精确与否，直接影响到成品胎的质量。由于轮胎成型过程中，胶料流动非常大，轮胎设计人员通常采用试错法反复调整施工设计来保证轮胎的制造精度，提高产品一致性，产品开发时间长，开发成本大。因此，精确设计轮胎半成品部件显得至关重要。
[0003] 近年来，计算机仿真技术在轮胎领域得到广泛地应用，为轮胎开发提供了有效的途径。中国专利公开号为CN101211385A的专利文献公开了轮胎性能有限元模型的建模方法和模拟方法，中国专利公开号为CN101432115A和CN101563199的专利文献公开了轮胎硫化模拟方法，中国专利公开号为CN1010249638.0的专利文献公开了子午线轮胎成型过程的模拟方法。然而，至今没有关于轮胎半成品部件的相关研究。
发明内容
[0004] 本发明提供一种子午线轮胎半成品部件的设计方法，显著提高施工设计精度，从而提高产品一致性。将轮胎设计材料分布图分为3个子系统进行逆向设计，包括胎面子系统、胎体组子系统和三角胶子系统。逆向设计边界条件与成型过程相反，根据理论设计材料分布，逆向推出各半成品部件的材料分布。通过这种方法，对轮胎各半成品部件进行精确设计，使各半成品部件成型后的形状与理论材料分布相吻合。
[0005] 本发明的子午线轮胎半成品部件设计方法，包括以下步骤：
[0006] (1)橡胶材料试验数据获取：进行橡胶的剪切松弛试验和单轴拉伸试验，获得轮胎各部件的剪切松弛模量和应力-应变曲线，选用广义Maxwell模型和Marlow超弹性模型表征未硫化橡胶的粘性行为和超弹性性能；
[0007] (2)有限元模型的建立：
[0008] (2.1)将轮胎设计材料分布图分为3个子系统，具体包括胎面子系统、胎体组子系统和三角胶子系统，以设计材料分布图为基准，对3个子系统分别进行定位；所述胎面子系统包括胎面胶和胎面胶片，所述胎体组子系统包括胎体、内衬、胎肩垫胶和加强层，所述三角胶子系统包括软三角胶、硬三角胶、隔离胶片和胎圈；子系统中的每个半成品部件使用至少一个弹性元，且部件之间紧密连接；
[0009] (2.2)对所述3个子系统分别进行网格离散化，局部应力集中处需细化网格；
[0010] (2.3)采用直接约束法模拟接触行为；
[0011] (3)半成品部件逆向设计：分别对3个子系统分别进行逆向设计，边界条件与成型过程相反，逆向推出轮胎半成品部件形状；所述边界条件包括压辊滚压压力、充气成型压力、橡胶与成型鼓之间的摩擦系数；结合部件挤出口型基本参数，对得到的各半成品部件形状进行修整，得到半成品部件材料分布图；
[0012] (4)正向成型仿真验证：对得到的半成品部件材料分布进行正向成型仿真，将得到的成品胎与理论设计轮胎进行对比，验证设计方法的可行性。
[0013] 优选地，所述3个子系统模型具有多种橡胶模型及帘线-橡胶复合材料的复杂结构。
[0014] 优选地，所述3个子系统部件模型均采用轴对称模型。
[0015] 优选地，所述橡胶模型物理模型采用粘弹性本构模型，至少包括应力-应变数据、泊松比和松弛模量。
[0016] 优选地，所述帘线-复合材料采用Rebar模型来表征，至少包括帘线密度、横截面积和角度。
[0017] 本发明具有应用范围广、精度高等优点，能克服传统方法的缺陷，精确设计轮胎半成品部件材料分布图，显著提高成品胎与理论设计轮胎材料分布的一致性，减小轮胎试制次数，缩减轮胎开发周期，降低轮胎开发成本。
附图说明
[0018] 图1为胶料单轴拉伸试验曲线拟合图。
[0019] 图2为胶料剪切松弛试验曲线拟合图。
[0020] 图3为理论材料分布分模块示意图。
[0021] 图4为胎面子系统形状的确定。
[0022] 图5为胎体组子系统形状的确定。
[0023] 图6为三角胶子系统形状的确定。
[0024] 图7为仿真断面与理论断面对比，其中，(a)为仿真断面；(b)为理论设计断面。
[0025] 图中：
[0026] 1-轮胎；2-胎面子系统；3-胎体组子系统；4-三角胶子系统；5-刚体；6-胎面；7-主鼓； 8-胎圈；9-加强层；10-内衬层；11-胎体；12-胎肩垫胶；13-软三角胶；14-硬三角胶。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0028] 本发明所述的一种子午线轮胎半成品部件设计方法，包括橡胶材料试验数据获取、有限元模型的建立、半成品部件逆向设计和正向成型仿真验证4个步骤。
[0029] 一、材料试验数据获取
[0030] 进行轮胎未硫化橡胶的剪切松弛试验和单轴拉伸试验，获得轮胎各部件的剪切松弛模量和应力-应变曲线，利用ABAQUS软件中的材料拟合模块对试验数据进行参数识别，选用广义Maxwell模型和Marlow超弹性模型表征未硫化橡胶的粘性行为和超弹性性能。图1为胎面6胶和内衬层10胶的单轴拉伸试验曲线，图2为两者的剪切松弛试验曲线，Maxwell模型和Marlow超弹性模型的拟合精度均很好，因此，说明所选本构模型的精确性。
[0031] 二、有限元模型的建立
[0032] (1)单元类型选取。橡胶单元采用的四边形单元为CGAX4H，三角形单元为CGAX3H， REBAR单元为SFMGAX1。
[0033] (2)接触模拟。轮胎成型过程中，各部件之间的粘性很强，因此采用直接约束法模拟接触行为。
[0034] (3)网格划分
[0035] 本发明所述的一种子午线轮胎半成品部件设计方法，如图3所示，将轮胎的理论材料分布分为三个子系统进行逆向设计，分别是胎面6子系统2、胎体11组子系统3、三角胶子系统4。胎面6子系统2包括胎面6，胎体11组子系统3包括胎体11、内衬、胎肩垫胶12和加强层9，三角胶子系统4包括胎圈8、软三角胶13和硬三角胶14。分别对3个子系统进行网格划分，可能发生应力集中处，进行网格细化。
[0036] 三、半成品部件逆向设计
[0037] (1)胎面6子系统2材料分布的确定
[0038] 由理论材料分布得到的胎面6形状和位置如图4(a)所示，以理论设计材料分布中的胎面6 胶形状为基础，采用成型仿真的方法，将胎面6逆向成型到刚体5平面上，即将胎面6形状还原为轮胎1半成品部件形状。仿真时，在胎面6内侧设置一平面刚体5，刚体5向图示方向移动到胎面6内侧中心位置，并在胎面6外侧施加均布压力，逆向仿真得到胎面6胶半成品部件的形状如图4(b)所示。根据图4(b)所示形状和胎面6挤出口型的基本设计参数进行修整，得到胎面6胶半成品部件的形状如图4(c)所示。需要说明的是，本发明忽略了胎面6花纹，若要考虑花纹，根据理论材料分布中花纹沟体积和花纹沟的相对位置，胶料在成型过程中体积相等，减去花纹沟胶料，确定胎面6胶半成品部件形状。
[0039] (2)胎体11组子系统3材料分布的确定
[0040] 内衬层10、胎体11层在成型过程中各点的径向伸张不同，胎冠处伸张最大，胎圈8处伸张小。因此，充气膨胀后各点的厚度不同，但其宽度和体积在膨胀前后保持不变。胎肩垫胶12在成型时，既有径向的伸张，又有弯曲，变形复杂。逆向成型仿真时，根据理论材料分布确定胎体11层、内衬层10和胎肩垫胶12位置，在胎体11外侧施加均布气压，如图5(a) 所示，同时胎圈8向两侧移动，将胎体11、内衬层10展开到主鼓7上，结果如图5(b)所示。根据生产实际，对部件形状修整，得到的半成品部件材料分布如图5(c)。
[0041] (2)三角胶子系统4材料分布的确定
[0042] 在轮胎1成型过程中，三角胶绕胎圈8转动，径向膨胀很小。逆向成型仿真时，根据理论材料分布确定三角胶的位置，胎圈8固定，三角胶外侧施加均布压力(如图6(a)所示)，将三角胶压到其绕胎圈8翻转前的位置，如图6(b)所示。对三角胶形状进行修整，得到半部件形状如图6(c)所示。
[0043] (4)轮胎1其他半成品部件形状的确定
[0044] 轮胎1在胎侧反包时，反包胶囊对胎侧胶和耐磨胶存在挤压作用，半成品部件逆向成型仿真方法具有一定的局限性。带束层在成型时宽度、厚度基本保持不变，其形状可以直接由材料分布图直接得到。
[0045] 四、正向成型仿真验证
[0046] 对步骤三的半成品部件进行正向成型仿真，得到的断面如图7(a)所示，图7 (b)为理论设计材料分布图，对比可知，两者一致性很好。
[0047] 所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
