Последние конференции
- Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности, образовании и экологии
- Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии
- Современные проблемы экологии
- Экологические проблемы окружающей среды, пути и методы их решения
- Экология, образование и здоровый образ жизни
Применение методов компьютерного моделирования поведения шин
В.В. Мозгалёв1, К.А. Климов2
1 Белорусский государственный технологический университет,
2 Объединенный институт проблем информатики НАН Беларуси,
г. Минск
Автомобильная шина является неотъемлемой и одной из важнейших частей транспортных средств, для которой, в целях безопасности, предъявляется множество серьезных требований, среди которых: обеспечение требуемой грузоподъемности, амортизация, передача крутящего и тормозного момента, обеспечение боковой устойчивости, низкие потери при качении, долговечность и т.д. Все эти требования обуславливают сложность конструкции шины, и трудоемкость технологического процесса ее изготовления.
Механические свойства шины определяют насколько шина соответствует предъявляемым к ней вышеприведенным требованиям. При этом все механические свойства взаимосвязаны и, следовательно, решение задачи обеспечения одного из вышеперечисленных требований, будет положительным или отрицательным образом влиять на другие требования.
Применение систем компьютерного моделирования позволяет прогнозировать работоспособность шины уже на этапе ее разработки, путем построения 3D модели шины, и исследование ее характеристик как в условиях статического нагружения, так и в динамике, при качении с различной скоростью, и на различных типах поверхностей.
Решение поставленных перед конструкторами шин задач, требует исключительных знаний о всех аспектах работы шины. Ведущие мировые производители шин (Continental, Goodyear, Michelin и др.) уже более десятка лет назад в помощь конструкторам приняли на вооружение методы компьютерного моделирования поведения шин. В то же время, на большинстве ведущих предприятий шинной промышленности стран СНГ, методы компьютерного моделирования шин стали внедряться относительно недавно.
Существует несколько подходов применяемых в компьютерном моделировании шин. Первый – это исследование шины в статических условиях нагружения. Данный метод менее востребован, вследствие его недостаточной информативности, однако легче реализуем, поскольку позволяет использовать более простые математические модели материала. Второй – моделирование динамического качения шины. При этом для получения реальной картины поведения шины требуется использование более точных математических моделей, учитывающих нелинейных вязкоупругий характер поведения резин, что дает возможность производить анализ температурных полей в шине, а также учитывать сопротивление при качении и т.д.
Известно большое количество научных работ в области структурного анализа пневматических шин с использованием методов компьютерного моделирования. Кроме того, наверняка есть также много неопубликованных работ в этой области – новейших разработок технических отделов шинных компаний. Это показывает, что компьютерное моделирование этой сложной структуры имеет все еще интерес для исследователей связанных с проектированием шин и оптимизацией их конструкций. Главная цель состоит в разработке наиболее реалистических моделей поведения шин при различных условиях качения.
В настоящее время к решению данной проблемы на базе суперкомпьютера СКИФ подключился Объединенный институт проблем информатики НАН Беларуси совместно с учеными Белорусского государственного технологического университета. Проводятся работы по компьютерному моделированию шин в статических и динамических условиях деформирования. Одним из основных направлений является создание модели сверх крупногабаритной шины, предназначенной для карьерной техники.
При моделировании поведения резин, в зависимости от их назначения, в основу принимались модели вязкоупругих тел – модели Кельвина-Фойхта и Максвелла с некоторыми ограничениями и поправками. Целесообразность использования менее или более сложной модели определялась характером и величиной деформирования резины, поскольку предъявляемые требования должны быть минимальными и достаточными. Упругие и вязкие свойства материала могут быть охарактеризованы соответствующими физико-механическими показателями (равновесный и неравновесный модули упругости, сдвига, коэффициент Пуассона), а также кривыми релаксации. При учете температурных полей в шине, также необходимо учитывать температурные зависимости физико-механических показателей, поэтому в моделях использовалась зависимость Аррениуса и Вильям-Ландау-Ферри (WLF).
В процессе построения геометрического профиля шины, закладывались основные рабочие элементы шины. Далее шина нагружалась внутренним давлением, а также имитировалась посадка на обод колеса. В качестве подложки (грунта) использовались как плоские поверхности, так и поверхности с выступами, имитирующие наезд на препятствия.
Предварительные результаты моделирования позволили выявить наиболее уязвимые места в конструкции сверх крупногабаритных шин. Предположения основываются на наличии локальных перенапряжений, и повышенном теплообразовании в данных областях. Дальнейшие исследования будут направлены на оптимизацию конструкции шин.