汽车智能防盗系统冯希金高明
三角轮胎股份有限公司
轮胎硫化胶囊变形仿真分析
冯希金高明
(三角轮胎股份有限公司)
摘要: 采用MSC.Marc软件作为轮胎硫化胶囊变形仿真分析的工具，探索了进行轮胎硫化胶囊变形仿真的一般方法，并对几种不同的硫化工艺条件进行了分析对比。
连续供墨系统
关键词:MSC.Marc软件、有限元、轮胎硫化胶囊、硫化
Abstract:The purpose of this article is to make the distortion simulation analysis of the capsule of the tyre press with MSC.MARC, research the general method of proceeding distortion simulation analysis of the capsule of tyre press, and compare the different conditions of vulcanization .
Key words: MSC.Marc，fea，capsule of the tyre press，vulcanization
1 前言
近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的应用，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析仿真。
硫化是轮胎加工过程的最后一道工序，对轮胎的性能有很大的影响。由于技术和环境等多方面制约因素，技术人员很难预先计算得到硫化过程中的工艺参数，为了得到硫化工艺参数，总是需要进行多次试验才能确定下来。在硫化过程中过热水或过热蒸气的压强和温度是通过胶囊传递到轮胎内壁的。而压强和温度是轮胎硫化的两个关键因素，高的压强可以使轮胎变得质地细密，避免轮胎内部气孔、气泡的形成，从而保证硫化质量。胶囊的结构、形状、材料特性对力的传递有没有影响？胶囊在高压下在轮胎内部展开的过程是什么样的？胶囊展开后是否与轮胎内壁紧密接触？这些问题都直接影响轮胎的硫化质量。这些问题的解决都需要对胶囊在模具定型、充过热水等整个过程中的变形进行仿真分析。在此基础上将胶囊的仿真分析与轮胎的硫化过程内部应力分布分析作为一个系统来考虑，这样才能完整地分析整个系统，为优化胶囊结构和硫化工艺提供参考。 本文以有限元分析软件MSC.Marc 为仿真计算平台，探讨了进行胶囊硫化变形的仿真分析方法，模拟
了胶囊从收囊筒到充气定型的整个过程，对硫化过程当中的定型高度、定型压力等工艺参数对胶囊变形的
影响进行了仿真分析和对比。结果表明，本软件的仿真分析结果与实际情况比较符合，采用该软件可以辅
助进行硫化工艺条件的确定。
2 胶囊硫化过程综述及本课题研究的意义
2.1 AB 型硫化胶囊在硫化过程中的动作过程分析[1]
轮胎是在模具内通过硫化胶囊的定型和传热来进行硫化的，胶囊一般动作过程是：抓胎器将胎坯放在
规定位置 胶囊从囊筒内上升到一定位置 胶囊内充气压， 胶囊在气压的作用下沿胎坯内壁展开 合模并开始硫化。下面分三个方面进行详细描述。
2.1.1 预定型过程中的胶囊与胎坯的关系
图1所示为硫化机的中心机构和胶囊以及模具下模的关系图[1]
脚踏淋浴器，
图2所示为胎坯装到模具下子口上后，
胎坯与胶囊的关系图。图中看到，AB 型定型硫化机的中心机构由胶囊伸缩操纵缸及储囊缸组成。轮胎硫化
d570完毕后，胶囊的上压盘向下运动将胶囊收入囊筒当中，装胎机构将胎坯的下子口放在囊缸的子口上，这时
胶囊的上压盘开始上升到定型高度的位置，胶囊内同时进入定型蒸汽，此即进行装胶囊和定型过程，胶囊
被完全装入胎坯。
从图和上面的描述看，胶囊在装胎过程中开始时上下夹持盘处于接触位置，胶囊处于折叠状态（也就
是我们所说的莲花状），轮胎装上后轮胎胎圈正好落在囊缸子口上，也就是落在钢圈子口上，这一点对于圈套器
升降机构
我们进行仿真时确定边界条件非常重要。
2.1.2 处于工作状态中的胶囊[1]
图1 胶囊收囊筒示意图
图2 装胎后的胶囊示意图
图3表示了处于工作中的胶囊状态。此时已经定型合模并开始硫化。从图中看出，胶囊13由螺母1和2分别卡住上下子口，固定于金属凸缘3和4上。转动螺杆6使凸缘3和4相互移近或离开，并使得带螺纹的座套7连同另一个大座套8沿轴向移动。大座套的上端与上凸缘3刚性连接，下部带有外螺纹，以使带罗纹的座件5可以轴向调节。当往上移动座套8和上凸缘3时，用座件5带动下凸缘4也向上升，并保持原来要求的间隔。此间隔由所硫化的轮胎尺寸决定。当座套8和凸缘3往下移动时，则由凸缘3直接带动下凸缘4。
从上述描述及图3我们看到，合模后硫化机中心机构的上下凸缘3和4与轮胎模具上的钢圈直接接触，并且其平面保持水平。胶囊在上凸缘和下凸缘及钢圈上是水平的。这一点对于确定胶囊的边界约束状态是非常重要的。
2.1.3 胶囊在硫化完成后的状态
图4表示了轮胎硫化完成后胶囊收缩回囊筒的状态。轮胎硫化完成后，首先对胶囊进行抽真空，同时上下夹持环相互靠近，中心机构整体下降，将胶囊收缩到囊筒中，就如图4中的状态。在此基础上开始进行脱模，由于脱模过程不属本课题研究的范围在此不在多加叙述。
2.2 硫化过程中容易出现的问题和本课题的任务
硫化过程是轮胎加工过程的最后一道工序，轮胎的质量好坏直接与硫化工艺直接相关。轮胎在硫化过
程中出现频率较高的问题主要有：窝气、外观差、缺胶、圈弯等，其中窝气和缺胶都与胶囊的定型作用有一定的关系。硫化过程的第一步便是将成型后的胎坯进行定型，定型的主要目的就是将胶囊与轮胎之间的气体排放掉，否则的话就会因为存在气体导致窝气和缺胶现象。胶囊的结构、形状、材料特性等都可能影响胶囊的定型效果，胶囊在定型压力下在轮胎内壁上展开，理想的展开过程是从胎坯中间开始接触，然后从胎坯中间向两边延伸，这样的话就可以将胎坯内壁和胶囊之间的气体排放掉，从而避免窝气和缺胶。如果胶囊结构设计不合理，胶囊的定位高度等工艺条件设计不合理，则胶囊在轮胎内壁的展开就不理想，从而造成硫化缺陷。
以前进行胶囊结构的设计和工艺条件的制定都是根据经验，通过不断的试验来摸索一个好的工艺，费用比较高，需要的时间比较长，如果能用有限元仿真的方法将整个胶囊展开过程进行仿真出来，则可以快速确定工艺条件。
本课题就是借助大型的非线性有限元软件MSC.Marc强大的非线性分析功能，通过建立胶囊的硫化仿真模型来模拟胶囊在胎坯内的展开情况，通过改变定型高度、调节定型压力等工艺条件来模拟胶囊的变形行为，从而为硫化工艺提供较为合理的参数，最终达到缩短产品开发周期降低试验成本的目的。本课题主要是完成以下各项目：胎坯内轮廓的绘制、胶囊有限元网格的划分、胶囊和胎坯间的定位、硫化仿真的建模及后处理等。
3 有限元分析模型的建立和分析任务的进行
3.1 胎坯内轮廓曲线的绘制
轮胎硫化过程中与硫化胶囊直接接触的便是胎坯的内轮廓，因此要进行硫化胶囊变形仿真的第一步便是得到完整准确的胎坯内轮廓图形，本文采用公司技术人员自创的石膏定型法得到胎坯的内轮廓（如图5所示），最后将图形调入CAD中，经过处理形成CAD的DWG文件格式（如图6）。
图5 石膏定型得到的内轮廓图图6 CAD处理后的内轮廓图
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