[发明专利]一种正交试验和有限元分析设计自行车轮胎尺寸的方法

说明书

本发明公开了一种正交试验和有限元分析设计自行车轮胎尺寸的方法，设计三因素三水平的正交试验，其中三因素为自行车轮胎的行驶速度、轮胎直径、轮胎厚度，考察指标为最大应力、最大应变、中心轴在Y方向的位移方差。分别对地面、轮胎进行材料参数设置。设置仿真并进行计算，提取每个模型的仿真数据。将得到实验数据填入正交试验中，得出正交试验结果。对轮胎直径、厚度二因素分别进行仿真，分析最大应力、最大应变、中心轴跳动等数据并总结，得出考察指标与各因素之间的关系，得出较优的尺寸设计。有限元软件与正交试验相结合的方式，进行实心自行车轮胎的尺寸设计，方法简单，结果科学可靠，对实心自行车轮胎的设计提供了可靠的指导意义。

技术领域

本发明是一种应用正交试验结合有限元软件进行仿真分析来设计实心橡胶自行车轮胎尺寸的方法，属于机械设计领域。

背景技术

随着共享单车的发展，自行车趋向于多样化，仅在轮胎这一方面，就存在许多差异，其作为自行车的重要组成部分和承载部件，越来越多的自行车采用实心轮胎，其尺寸对应力、应变大小以及自身运行稳定性具有不可忽视的影响。其中应力、应变过大会造成橡胶开裂等不良后果，影响轮胎的使用寿命；轮胎运行稳定性对自行车的舒适度有一定的影响。因此，需要确定一个可以有效延长轮胎使用寿命以及确保其运行稳定性的尺寸设计。

发明内容

针对上述两项要求，本发明提供了一种应用正交试验结合有限元软件仿真分析来设计实心橡胶自行车轮胎尺寸的方法，该方法模拟实际工况，对不同尺寸的实心自行车轮胎进行仿真分析，以找到最优的尺寸的设计，具有简单，科学，符合客观实际等特点。为实心自行车轮胎的尺寸设计提供一种新的方法，使其尺寸设计更加完善。

一种应用正交试验结合有限元软件进行仿真分析来设计实心橡胶自行车轮胎尺寸的方法，包括以下步骤：

S1.设计三因素三水平的正交试验，其中三因素为自行车轮胎的行驶速度、轮胎直径、轮胎厚度，考察指标为最大应力、最大应变、中心轴在Y方向的位移方差。以日常自行车的骑行速度为参考，确定行驶速度的三个水平；以市面上常见轮胎尺寸为参考，分别确定轮胎直径、轮胎厚度的三个水平，从而确定所需建立模型的尺寸，运用软件对其以及地面进行建模，而后导入有限元软件中。

S2.分别对地面、轮胎进行材料参数设置，其中：由于地面刚度远远大于轮胎，故可用标准钢来定义；轮胎材料是橡胶超弹模型和黏弹模型的叠加，其中超弹模型用Moony-Rivlin模型来表征，经验公式为：

式中：C10、C01、D1为材料系数；J为橡胶材料变化后体积比。

黏弹模型用广义Maxwell模型来表征，采用Prony级数形式拟合黏弹参数以表征橡胶黏弹特性。Prony级数可表示为:

式中：G0和K0分别为初始时刻的剪切和体积松弛模量，Pa；nG、nK为Prony级数的项数；为剪切响应下的相对模量和松弛时间；为体积响应下的相对模量和松弛时间。

S3.设置仿真并进行计算，提取每个模型的仿真数据，包括：最大等效应力、最大等效应变以及中心轴的跳动情况。其中最大等效应力、最大应变较大对应尺寸的轮胎，长时间使用会使影响轮胎使用寿命；中心轴的跳动情况用来表征车轮运行的稳定情况，即提取中心轴在竖直方向的位移，求方差，方差越大说明中心轴跳动越剧烈。

S4.将得到实验数据填入正交试验中，得出正交试验结果。该试验用来确定轮胎直径、轮胎厚度此二因素对所考察指标的主次关系，在设计时可以优先考虑主因素，主次因素的确定详见具体实施办法步骤四和步骤五。

S5.对轮胎直径、厚度二因素分别进行仿真，分析最大应力、最大应变、中心轴跳动等数据并总结，得出考察指标与各因素之间的关系，得出较优的尺寸设计。