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帘线增强的航空轮胎充气分析与软件开发

帘线增强的航空轮胎充气分析与软件开发

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作者：郭会强吉林大学

学位级别：硕士

航空轮胎是决定飞机起降安全的关键部件,被誉为轮胎工业“皇冠上的明珠”。国产航空轮胎性能落后,国外航空轮胎设计技术封锁。因此,航空轮胎设计是我国的“卡脖子”技术难题,亟需突破国外航空轮胎技术壁垒,研发高端轮胎。本文重点研究... 详细信息

航空轮胎是决定飞机起降安全的关键部件,被誉为轮胎工业“皇冠上的明珠”。国产航空轮胎性能落后,国外航空轮胎设计技术封锁。因此,航空轮胎设计是我国的“卡脖子”技术难题,亟需突破国外航空轮胎技术壁垒,研发高端轮胎。本文重点研究近似不可压缩橡胶的材料非线性问题、结构大变形引起的几何非线性问题以及帘线增强橡胶复合材料有限元建模问题,最终实现帘线增强的航空轮胎充气有限元分析。本文的具体工作如下:首先,建立航空轮胎材料的本构模型。分别构建近似不可压缩超弹性橡胶以及线弹性帘线和钢丝圈材料的本构模型,用Mooney-Rivlin模型反映橡胶的超弹性特性,通过引入体积模量来反映材料的近似不可压缩性质,用线弹性模型反映帘线和钢丝圈材料的力学性能。基于力学性能试验数据拟合本构模型的材料参数,并给出相应的模型稳定性判据,为帘线增强橡胶的有限元分析奠定了基础。其次,推导超弹性橡胶的三场混合有限元公式。基于三场混合变分原理,推导关于位移、静水压力以及体积改变率的混合变分方程,对其线性化和离散化处理后,得出六面体和五面体橡胶单元的有限元离散格式。当超弹性橡胶受到压力载荷时,需要考虑外力相对于位移的变分,得出修正刚度矩阵及等效节点外载荷向量。最后,给出非线性有限元方程的数值解法,实现超弹性橡胶的非线性有限元分析。然后,推导帘线增强橡胶复合材料的有限元方程。首先,对帘线增强橡胶复合材料进行有限元建模,将近似不可压超弹性单元作为橡胶基体单元,帘线平面单元作为加强筋,构建加强筋模型分析帘线增强橡胶。分别推导帘线和橡胶发生大变形时的有限元离散格式,并根据橡胶基体与帘线单元的内埋约束关系得出帘线增强橡胶的离散格式,最后通过算例验证算法的准确性。最后,开发具有自主知识产权的专用航空轮胎充气分析软件。基于前述理论和方法,自主开发航空轮胎充气分析软件的求解器,设计对应的有限元建模及求解的软件界面。同时实现超弹性和线弹性材料本构拟合模块,对普利司通轮胎材料的拉伸试验数据进行曲线拟合,获得本构模型材料参数。最后,对型号为1270×455 R22的子午线航空轮胎进行充气有限元计算,与商业软件计算结果对比,验证了所开发软件的计算精度,有利于促进我国航空轮胎自主研发能力的提升。

关键词：帘线增强橡胶航空轮胎充气分析有限元计算软件开发

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