在使用有限元分析（FEA）时，正确定义边界条件是至关重要的。与任何模拟或计算一样，如果输入是垃圾，则输出也将是垃圾。对于结构分析，重要的边界条件是防止结构的移动和作用的外力的固定装置。
Jody Muelaner博士，Phd Ceng Mimeche
对于装有充气轮胎的轮子，正确地定义边界条件可能特别具有挑战性。作用在车轮边缘上的力是由轮胎内的空气压力和通过轮胎转移的地面反作用力引起的。以现实的方式定义这些力量需要一些思想和没有经验这种问题的经验，最重要的力量很容易被忽视。幸运的是，这一领域已经完成了相当大的工作，因此我们可以应用标准方法来正确定义边界条件。这意味着没有必要在FEA中包括轮胎，并且它可以由几个简单的边界条件表示，通过分析和经验方法的组合确定。
轮胎地和轮胎边缘相互作用的详细模型
在我们进入将边界条件应用于车轮的实用方法之前，让我们花点时间考虑替代品。如果我们没有对轮胎如何赋予轮辋的力量，我们需要首先模拟轮胎如何与地面接触。这可能是作为轮胎的环形或圆柱形的理想化，与平面地面接触。这将分别导致最初的点或线接触，具有相应的无限力。然后轮胎变形以产生接触贴片。这种类型的接触分析总是需要迭代溶液，但是当接触在两个线性弹性固体之间时相对简单。然而，尽管轮胎内的空气压缩是弹性的，但是轮胎的壳体将经历大变形并且存在显着的阻尼效果。当一轮滚过坚固的表面时，这种阻尼通常会考虑大部分滚动阻力。建模这些效果需要非线性材料模型，从分析的复杂性显着增加。随着轮胎不是由均匀的各向同性固体材料构成的，复杂性不会在那里结束。 Tires have anisotropic textile casings and bead wires, encased in a rubber matrix. Modeling this type of composite structure becomes extremely complex. It is only when all of this has been simulated that the deformation into a contact patch and the transfer of force from the ground into the rim can be determined.
对边缘作用的力分析
典型的轮子由带有支持轮辋的磁盘的中心集线器组成。边缘在每一侧具有法兰，防止轮胎和胎圈座的侧向移动，该轮胎和胎圈座径向保持轮胎。它通过珠子座，将接地反作用力转移。边缘的部分标记在下面的照片中。
轮胎的一部分与地面接触的是胎面。胎面通常具有近似圆柱形的外表面，尽管它可以是环形的，尤其是用于在骑自行车上使用的轮胎，其倾斜到拐角处。在常见的用法中，胎面可能仅指外部纹理表面，该表面与地面直接接触，但是这里使用该术语来指代轮胎的水平部分的整个厚度。轮胎的侧面，其垂直延伸以在每种尺寸处满足胎面的侧壁被称为侧壁。每个侧壁的内圆周称为珠子。珠子由边缘的胎圈座径向支撑，并且由边缘法兰轴向包含。珠子可以含有线以帮助它抵抗轮胎内的气压引起的径向力。轮胎的部件如下所示。
轮胎内的空气对轮胎和轮缘的所有内面具有均匀的压力，膨胀压力，P。车轮的最简单边界条件是轮胎未被轮胎覆盖的任何表面暴露于该压力。在充气压力作用在胎面的内部，它含有轮胎壳体和珠子，在轮胎中引起内部环箍应力，但在边缘上没有反应力。在充气压力作用在轮胎的侧壁上的情况下，通过胎面的胎面和内圆形的胎面的外圆周和由边缘凸缘抵抗。所得到的反作用力FS是车轮的重要边界条件。注意，在下图中，示出了作用在轮胎上的力FS，力在车轮上沿相反方向作用。
计算反应力，FS.，我们需要考虑充气压力的轴向分量，以及它所作用的区域。它起到侧壁的区域上，投影到垂直平面上，由：
如果我们假设侧壁上的力距离胎面和边缘法兰之间等等，则该力由：
地面反作用力具有三个部件：由于车辆的重量，由加速和制动引起的切向力，以及由转弯引起的轴向力引起的切向力。这些力根据与轮胎接触贴片的珠子座椅和边缘法兰区域的余弦功能分布。该分布式负载的范围由负载角度θ给出。没有分析方法来确定装载角度。这取决于轮缘的形状，轮胎的形状和刚度，轮胎压力和地面反作用力。可以通过实验确定装载角，或者可以使用最坏情况值。为了使用最坏情况值，用不同的负载角度进行多种模拟，以确定角度如何影响车轮中的应力。可以假设它不会小于可以容易地观察到的轮胎的接触贴片。如果车轮包含周期性辐条，则接地反应可以在车轮中产生循环载荷。这是因为当地面反应以单个辐条以地面反应为中心时的应力状态与地面反应在两个辐条之间的应力状态不同。 For every revolution of the wheel, each spoke will experience one cycle which should be taken into account for fatigue calculations.
虽然不总是存在轴向和切向反应，但虽然轴向和切向反应，但最多可能在轮辋上行动。
•通胀压力，p，均匀地在轮辋的内面上行动，不与轮胎接触。
•侧壁压力反应，FS，演奏两个轮辋法兰。
•径向地面反应，Fv，在两个珠子座上分布正弦
•轴向转弯反应，FA，根据转弯方向分布在其中一个边缘法兰上的正弦上。
•切向制动或转弯反应，FT，在珠子座的相同区域上作为垂直接地反应作用，并且也具有正弦分布，与正常力有关的切向载荷转移。
应用边界条件在FEA软件中应用边界条件的实际问题
在尝试将轮胎力应用于轮辋之前，应对固体模型进行一些更改以简化分析。首先，珠子座的面必须在负载角的范围内分开。将车轮切成两半也是一个好主意，以便可以使用对称性来简化模型。它还可以用于去特征模型来进一步减少网格化和解决方案时间。例如，通过删除外部圆角和不会显着影响压力的其他小功能。它甚至可以值得提取中间表面并使用壳元素啮合。
除了施加到边缘的力之外，毂将在枢纽需要固定装置。这可能最好使用与孔的内表面上的内表面上的无摩擦支撑和孔处的螺栓连接器上的摩擦力支撑。
在该实施例中，模拟了0.345N / mm 2（50psi）的充气压力。珠座半径为163毫米，胎面内半径为268mm，这导致侧壁的反作用力为24,525 n。接地反作用力是2kN，可以使用轴承载荷施加正弦分布。由于模型中的对称性，这些力减半。
在H自适应啮合之后，最终von误导应力结果如下所示。最大的应力发生在珠子座椅和边缘法兰之间的半径处。这是由侧壁反作用力引起的弯曲应力的结果。地面反作用力对应力场影响令人惊讶地影响，仅将峰值应力增加3％。这确实突出了充分考虑通过轮胎转移空气压力的重要性。
提交：3D CAD世界
