一种轮胎裂纹路径的预测方法及装置
1.本发明属于轮胎技术领域，尤其涉及一种轮胎裂纹路径的预测方法及装置。
背景技术：
2.随着汽车工业的发展和环保要求的不断提高，对轮胎寿命的要求越来越高。轮胎寿命主要分为磨损寿命和损坏寿命，磨损寿命是指轮胎胎面花纹部分磨光造成轮胎寿命终结，而达到磨损寿命是轮胎设计的主要追求目标。然而，设计不合理或工艺制造问题等造成轮胎在达到磨损寿命之前甚至在使用早期报废，则对应的是损坏寿命，通常使用寿命较短，可能存在仅使用几千公里就报废的情况，这不仅造成资源的浪费，也严重影响车辆行驶的安全性。
3.子午线轮胎的破坏一般分为两个阶段：裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段。裂纹萌生阶段主要发生在钢丝、尼龙等增强材料的端点位置，裂纹萌生寿命占轮胎损坏寿命的一小部分，大约20％；
4.而裂纹扩展阶段占约80％，裂纹扩展具有方向性，当裂纹向轮胎外表面扩展时，寿命通常较短，且易引发爆胎等严重事故。而当裂纹向轮胎内部扩展时，寿命往往大于向外扩展。
5.因此，在轮胎设计阶段，如果能提前预测裂纹扩展路径，避免裂纹向外表面扩展，会显著提高轮胎的使用寿命。
6.对于轮胎裂纹扩展路径的预测方法主要有实验法和仿真法。实验法是目前轮胎企业主要的裂纹扩展路径预测手段，需要在轮胎设计并加工完成后进行整胎测试，但耗时长，投入成本大。而仿真法成本低，周期短，已有的仿真方法主要是虚拟裂纹闭合技术，等效区域围道积分和开裂能密度，除常规材料本构模型参数外，还需要输入材料的疲劳特性参数、热学参数。对于橡胶材料而言，这些参数很难准确测得，因此这些方法难以直接应用于轮胎裂纹扩展路径的预测。
7.专利文献cn104778313a公开了一种轮胎疲劳寿命评价及预测方法，包括：有限元模型的建立、有限元模型的计算及耐久工况仿真、应变能密度梯度的计算及绘制应变能密度梯度二维矢量图和评价及预测轮寿命。该方法采用疲劳仿真，针对不同种类的轮胎需要分别输入对应的材料参数才能进行计算。
8.专利文献cn113255847a公开了一种基于生成对抗网络的轮胎磨损程度预测方法，包括：s1对拍摄的轮胎侧面照片进行预处理；s2利用ist-g络模型框架将s1处理后的轮胎侧面图像重构为轮胎正面图像；s3利用twp预测模型框架对转换后的轮胎正面图像进行轮胎磨损程度的预测，得出相应的预测结论。该仅能用于轮胎磨损程度的预测，无法实现裂纹拓展的预测。
技术实现要素：
9.为了解决上述问题，本发明提供了一种轮胎裂纹路径的预测方法，该方法无需轮
胎附加材料参数的输入，仅需几轮静力学迭代计算即可获得轮胎的裂纹扩展路径预测结果。
10.一种轮胎裂纹路径的预测方法，包括：
11.步骤1、有限元模型的建立：根据轮胎断面的材料分布图建立几何模型，并对几何模型进行网格划分，获得对应的二维有限元模型与网格单元集；
12.步骤2、对所述二维有限元模型进行数据处理，所述数据处理包括将目标分析区域内增强材料端点延伸方向上的第一个网格单元设为裂纹单元，并将所述裂纹单元从网格单元集中删除；
13.步骤3、对步骤2数据处理后的二维有限元模型旋转成三维模型，根据预设工况设定气压与荷载，对所述三维模型进行静力学仿真分析，获得对应的分析结果；
14.步骤4、根据所述分析结果，筛选出与所述裂纹单元共用节点的关联网格单元，并提取关联网格单元的应变值；
15.步骤5、基于步骤4获得的应变值，计算所述关联网格单元对应的易损指数，以易损指数最高的关联网格单元作为易损单元，将所述易损单元与所述裂纹单元进行合并获得新的裂纹单元，同时将易损单元对应的关联网格单元从所述网格单元集中删除；
16.步骤6、重复步骤3至步骤5，直至满足迭代终止条件，获得由裂纹单元构成的裂纹扩展路径。
17.本发明根据网格单元对应的易损指数进行筛选，并将与裂纹单元合并的网格单元进行删除，避免重复计算的工作，从而提高迭代计算速度和真实性。
18.优选的，所述目标分析区域网格划分的尺寸范围为0.2～2mm，从而提高仿真结果的准确度。
19.具体的，所述步骤2中的待分析区域包括胎肩带束层端点区域，胎圈钢丝包布以及胎体反包端点区域。
20.优选的，所述删除包括将网格单元的坐标数据与识别标签进行删除，从而避免已被合并的网格单元被重复计算，影响分析结果的真实性。
21.优选的，所述步骤3中的应变值包括网格单元内zx方向的剪应变分量与zy方向的剪应变分量，所述z方向为轮胎周向，所述x方向为轮胎径向，所述y方向为轮胎轴向。
22.优选的，所述步骤3中的易损指数的函数表达式如下：
[0023][0024]
式中，δγ
zx
表示单元在外向法向平行于z轴的平面的x方向上作用的剪应变幅值，δγ
zy
表示单元在外向法向平行于z轴的平面的y方向上作用的剪应变幅值。
[0025]
具体的，所述步骤5中的迭代终止条件为已有裂纹单元构成的路径长度达到5～10mm。
[0026]
本发明还提供了一种预测轮胎裂纹路径装置，包括计算机存储器、计算机处理器以及存储在所述计算机存储器中并可在所述计算机处理器中执行的计算机程序，所述计算机存储器执行上述的轮胎裂纹路径的预测方法。
[0027]
所述计算机处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：输入待计算轮胎二维有限元数据，通过轮胎裂纹路径的预测方法进行分析，输出出现概率最大的裂纹扩展路径。
[0028]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0029]
(1)采用“删除”被选中的网格单元，与裂纹实际发生现象相吻合，避免失效网格单元影响计算结果的真实性。
[0030]
(2)采用易损指数判定网格单元的易损程度，只需要进行三维静力学仿真，无需进行疲劳仿真，无需输入附加材料的参数，即可预测获得对应的裂纹扩展路径。
附图说明
[0031]
图1为本发明提供的一种轮胎裂纹路径的预测方法的流程示意图；
[0032]
图2为本实施例提供的轮胎断面的材料分布图；
[0033]
图3为本实施例提供的轮胎的二维有限元网络；
[0034]
图4为本实施例提供的轮胎胎圈钢丝包布端点附近单元编号图；
[0035]
图5为本实施例提供的轮胎的三维静负荷工况有限元模型；
[0036]
图6为本实施例提供的轮胎剪切应变幅值；
[0037]
图7为本实施例提供的轮胎胎圈钢丝包布端点裂纹扩展路径示意图。
具体实施方式
[0038]
为了证明本发明提供方法的有效性，以315/60r22.5全钢载重子午线产品为例，设定胎圈包布端点区域破坏为主要的分析区域。
[0039]
如图1所示，一种轮胎裂纹路径的预测方法，包括：
[0040]
步骤1、如图2所示，根据轮胎断面的材料分布图建立几何模型，对几何模型进行网格划分，网格尺寸5-8mm，对胎圈钢丝包布端点区域网格细化，尺寸约1mm，将增强材料端点延伸方向第一个单元删除，形成空单元，作为裂纹起点，对各部件材料赋予材料属性，建立轮胎二维有限元模型；
[0041]
如图3所示，为该轮胎二维有限元模型的示意图。
[0042]
步骤2、如图4所示，对二维有限元模型进行数据处理：将目标分析区域内增强材料端点延伸方向上的第一个网格单元(编号489)设为裂纹单元，并将该网格单元(编号489)从网格单元集中删除；
[0043]
步骤3、如图5所示，对二维有限元模型加载轮辋并充气(气压900kpa)，进行充气分析，在二维充气分析基础上将二维模型旋转成三维模型，按照实际使用工况设置约束和载荷(气压900kpa，载荷3750kg)，进行静态负荷下的受力分析；
[0044]
其中，橡胶部分选用cgax3h和cgax4h单元模拟，增强材料部分选用sfmgax1单元模拟；
[0045]
如图6所示，受力分析结果中轮胎剪切应变幅值图。
[0046]
步骤4、根据受力分析结果，筛选出与裂纹单元共用节点的关联网格单元，并提取所述关联网格单元的应变值：
[0047]
提取第一步中裂纹单元附近与裂纹单元共用节点的单元(图5中的单元编号470、471、472、488、490、506、507、508)的zx方向、zy方向应变值，分别记为γ
zx
和γ
zy
。
[0048]
步骤5、基于步骤4获得的应变值，计算网格单元对应的易损指数：
[0049][0050]
δγ
zx
＝max(γ
zx
)-min(γ
zx
)
[0051]
δγ
zy
＝max(γ
zy
)-min(γ
zy
)
[0052]
式中，δγ
zx
表示单元在外向法向平行于z轴的平面的x方向上作用的剪应变幅值，
[0053]
δγ
zy
表示单元在外向法向平行于z轴的平面的y方向上作用的剪应变幅值；
[0054]
以易损指数最高的关联网格单元作为易损单元，将易损单元与裂纹单元进行合并获得新的裂纹单元，同时将易损单元对应的关联网格单元从网格单元集中删除；
[0055]
步骤6、重复步骤3至步骤5，直至满足迭代终止条件，获得由裂纹单元构成的裂纹扩展路径：
[0056]
第一轮的易损指数η计算：
[0057]
其计算结果如表1所示。
[0058]
表1
[0059][0060]
其中，单元490易损指数最大，因此将单元490视为易损单元与裂纹单元进行合并，同时将单元490从网格单元集中删除；
[0061]
后续单元删除：
[0062]
提取计算结果中与两个空单元共用节点的单元(470、471、472、473、488、491、506、507、508、509)的zx方向、zy方向应变值。
[0063]
第二次计算易损指数η计算：
[0064]
其计算结果如表2所示。
[0065]
表2
[0066][0067]
其中，单元472易损指数最大，因此将单元472视为易损单元与新的裂纹单元进行合并，同时将单元472从网格单元集中删除；
[0068]
第二次计算易损指数η计算：
[0069]
其计算结果如表3所示。
[0070]
表3
[0071][0072]
其中，单元473易损指数最大，因此将单元473视为易损单元与新的裂纹单元进行合并，同时将单元473从网格单元集中删除；
[0073]
如图7所示，重复计算直至易损单元长度达到约6mm，停止计算，最易损单元依次为：490
→
472
→
473
→
474
→
475
→
457
→
458。
[0074]
本实施例还提供了一种预测轮胎裂纹路径装置，包括计算机存储器、计算机处理器以及存储在计算机存储器中并可在计算机处理器中执行的计算机程序，计算机存储器执行上述轮胎裂纹路径的预测方法。
[0075]
计算机处理器执行计算机程序时实现以下步骤：输入待计算轮胎二维有限元数据，通过轮胎裂纹路径的预测方法进行分析，输出出现概率最大的裂纹扩展路径。
