一种子午线轮胎结构逆向还原方法与流程

本发明涉及一种子午线轮胎结构逆向还原方法，属于子午线轮胎结构分析技术领域。

背景技术：

子午线轮胎的结构非常复杂，主要包括钢丝或尼龙材料的胎体，若干层具有不同角度钢丝的橡胶-钢丝复合材料带束层，由高强度钢丝紧密排列而制成的钢丝圈，胎面，胎侧，三角胶等10多个部件。轮胎是轴对称几何体，其可由断面绕轮轴旋转一周而成，因此，一般在设计轮胎时，主要设计轮胎的断面材料分布，也称材料分布图。然后，将材料分布图上的部件参数转化为施工表，即每一个部件的几何尺寸。制造过程中包括挤出、压延、裁断、贴合和硫化等工艺，最终获得成品轮胎。

由于生成时施工表时会存在误差，整个工艺流程中橡胶材料都会流动，钢丝材料排列也会发生变化，这导致成品轮胎与设计时的材料分布图不相符。这就需要将成品轮胎剖开，测量实际断面的材料分布，获得成品胎的材料分布图，用以和设计的材料分布图对比，便于分析出现问题的原因。同时，分析竞争对手的产品时也会绘制成品轮胎的材料分布图。

但是，由于成品轮胎中存在预应力，当剖开轮胎之后其断面形状发生巨大变化，现有的人工描绘和图像扫描技术无法将其准确还原，无法应用其进行后续性能分析。

通过测量加仿真的方法能有效的解决这一问题，运用测量手段测量轮胎充气时的胎面轮廓，绘制断面在任意状态下材料分布图，结合有限元仿真方法，可极完美的获得成品轮胎的材料分布图。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，即由于成品轮胎中存在预应力，当剖开轮胎之后其断面形状发生巨大变化，现有的人工描绘和图像扫描技术无法将其准确还原，无法应用其进行后续性能分析。进而提供一种子午线轮胎结构逆向还原方法，通过测量和仿真相结合的方法来实现，能够准确的还原其结构，获得准确的材料分布图，以及根据该方法获得的材料分布图。

材料分布图的定义为：包括轮胎的外轮廓形状，内轮廓形状，内部橡胶部件形状，带束层形状等包含轮胎断面几何信息的CAD图形文件。

本发明采用如下技术方案：

一种子午线轮胎材料分布图，通过子午线轮胎结构逆向还原方法，将测量和仿真相结合来实现。

所述分布图包括轮胎的外轮廓形状，内轮廓形状，内部橡胶部件形状，带束层形状等包含轮胎断面几何信息的CAD图形文件。

所述子午线轮胎结构逆向还原方法包括如下步骤：

第一步：测量轮胎充气外部轮廓；

第二步：进行轮胎断面材料结构描绘；

第三步：绘制轮辋曲线和胎面限制曲线；

第四步：对所获得的轮胎结构图进行网格划分和分配材料；

第五步：设置轮胎模型的边界条件：设置胎圈部位与轮辋的接触属性和胎面部位与胎面限制线的接触属性；

第六步：对轮胎进行充气分析；

第七步：将胎面限制线向轮辋方向移动，直到达到测量所得的轮胎面最高点位置；

第八步：将仿真完成时的网格导出，去除网格线，即可获得真实轮胎的结构图。

上述第一步具体为：将成品轮胎安装于标准轮辋之上，充以0.1MPa气压，并将轮辋固定，静置24小时之后，使用轮廓扫描仪进行外轮廓扫描，每隔90°扫描一次，将所得数据取平均值。

上述第二步具体为：将成品轮胎沿径向断面切开，取出整个轮胎的180分之一，将取出的轮胎断面胎圈部位放入标准轮辋之内或固定，手动描绘或使用图像扫描获得在此状态的下轮胎断面结构图。

上述第四步具体为：将获得的材料分布图进行定位，使其最高点与测量结果的最高点坐标相同，然后对结构进行网格划分，并根据轮胎实际情况材料情况为每个橡胶材料单元和胎体增强材料分配材料属性，将第三步绘制的轮辋曲线和胎面限制曲线导入设置为刚体，加入仿真模型中，并且将胎面限制线定位到高于距离胎面最高点一定距离。

所述网格划分为将轮胎结构划分为四边形单元或三角形单元，其中带束层和胎体为四边形单元，且使用骨架材料单元来表示增强材料的增强作用。所述单元属性设置为轴对称属性，利用二维模型仿真三维情况。

上述第五步中：胎面部位与胎面限制线的接触属性设置为无摩擦，设置内衬层内表面单元为施加载荷单元。

上述第六步中，给轮胎内部充以0.9MPa均布压力，方向垂直于内衬层内表面单元，膨胀到平衡形状。

所述子午线轮胎结构逆向还原方法，更具体的步骤为：

第一步：测量轮胎充气外部轮廓。将成品轮胎安装于标准轮辋之上，充以0.1MPa气压，并将轮辋固定，静止24小时之后，使用轮廓扫描仪进行外轮廓扫描，每隔90°扫描一次，将所得数据取平均值；

第二步：进行轮胎断面材料结构描绘。将成品轮胎沿径向断面切开，尽量保证断面的平顺，取出整个轮胎的180分之一。将取出的轮胎断面胎圈部位放入标准轮辋之内或固定，保证整个断面呈对称形状。手动描绘或使用图像扫描获得在此状态的下轮胎断面结构图；

第三步：绘制轮辋曲线和胎面限制曲线：轮辋曲线根据标准轮辋获得，为轮辋与胎圈部位接触的上表面曲线；胎面限制曲线为根据第一步中测得的外轮廓曲线，但需要在胎面曲线的两侧边缘增加两个半径为4mm的圆弧，以便轮胎胎面能很好的滑入胎面限制线内；

第四步：对所获得的轮胎结构图进行网格划分和分配材料：根据轮廓测试的结果，将获得的材料分布图进行定位，使其最高点与测量结果的最高点坐标相同，然后对结构进行网格划分，划分为四边形单元或三角形单元，其中带束层、胎体和其他增强材料部件为四边形单元，且使用骨架材料单元来表示增强材料的增强作用。并根据轮胎实际情况材料情况为每个橡胶材料单元和胎体增强材料分配材料属性，对于带束层骨架单元输入模量为30MPa。所有单元属性必须设置为轴对称属性，这样可以利用二维模型仿真三维情况。将第三步绘制的轮辋曲线和胎面限制曲线导入设置为刚体，加入仿真模型中，并且将胎面限制线定位到高于距离胎面最高点一定距离；

第五步：设置轮胎模型的边界条件：设置胎圈部位与轮辋的接触属性和胎面部位与胎面限制线的接触属性，其中胎面部位与胎面限制线的接触属性设置为无摩擦，设置内衬层内表面单元为施加载荷单元；

第六步：对轮胎进行充气分析。给轮胎内部充以0.9MPa均布压力，方向垂直于内衬层内表面单元，此时轮胎会膨胀，胎圈与轮辋接触，胎面变形，膨胀到平衡形状；

第七步：将胎面限制线向轮辋方向移动，直到达到测量所得的轮胎面最高点位置。

第八步：将仿真完成时的网格导出，去除网格线，即可获得真实轮胎的结构图。

通过以上步骤，可准确的逆向还原轮胎的材料分布图。

附图说明

图1在轮胎的材料分布图及部件名称；

图2测量的胎冠轮廓线图；

图3为实际描绘的轮胎材料分布图；

图4轮辋曲线图；

图5为胎冠限制线曲线图；

图6为划分好网格并分配好材料的轮胎模型图；

图7为轮胎、轮辋和胎面限制线的组合图；

图8为轮胎充气之后的变形图；

图9为胎面限制线下移到指定位置的整体模型图；

图10为获得的成品胎的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

以445/45R19.5轮胎作为本实施例，根据本发明的实施步骤，首先将轮胎安装于19.5×15.00的标准轮辋之上，充以0.1MPa的气压，将轮辋固定，经过24小时之后，等间距测量4次胎冠轮廓，测得胎冠轮廓曲线如图2所示。测量得胎面最高位置半径为448mm。

将轮胎断面割开，将胎圈贴紧于9.5×15.00轮辋内壁，取断面的1/180，手工描绘内部结构，如图3所示。

绘制轮辋曲线和胎面限制线，轮辋曲线如图4所示，胎面限制线根据测得的胎冠轮廓绘制，不用考虑花纹沟的影响，在胎冠曲线的两个端点需添加两个半径为4mm的圆弧，其圆心在胎冠曲线外侧，如图5所示，方便胎冠滑入胎面限制线。

对绘制的轮胎材料分布图进行网格划分，划分为四边形单元和三角形单元，如图6所示。橡胶材料根据测得的材料参数输入，带束层骨架材料的模量为30Mpa，胎体骨架材料模量为90000Mpa，所有单元属性设置为轴对称属性。将轮胎模型放入轮辋之中，将胎面限制线放置高于轮胎80mm处，胎面限制线与轮胎具有相同对称轴，如图7所示，不同颜色代表不同的部件和不同的材料属性。

设置胎圈处与轮辋接触，摩擦系数为0.2，胎冠处与胎面限制线接触，摩擦系数为0.

给轮胎内部以0.9MPa的充气压力，使轮胎膨胀，如图8所示。然后，将胎面限制线向轮辋方向垂直移动，移动80mm，此时胎面将滑入胎面限制线，如图9所示。

提取此时轮胎网格图，删除网格线，此时的材料分布图即为成品轮胎的实际结构图，如图10所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。