(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211165121.2 (22)申请日 2022.09.23 (71)申请人 哈尔滨工业大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区一 匡街2号哈工大 科学园KZ栋 307 (72)发明人 朱斌　姚鑫　吴健　粟本龙　 王友善　 (74)专利代理 机构 北京冠和权律师事务所 11399 专利代理师 刘艳霞 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06T 17/30(2006.01)G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 一种基于ABAQUS 的胎面花纹建模及有限元 网格生成方法 (57)摘要 本发明提供一种基于ABAQUS 的胎面花纹建 模及有限元网格生成方法， 通过简化胎面花纹的 建模过程， 避免复杂的曲面建模操作， 快速建立 复杂花纹的三维模型， 经过简化的三维模型可以 利用通用有限元前处理软件生 成有限元网格。 该 花纹建模及网格生成方法， 大幅度的提高轮胎力 学性能数值模拟过程中的花纹建模效率及花纹 三维有限元网格质量， 为轮胎性能的精确仿真奠 定基础， 该方法容易通过二次开发编程嵌入现有 的有限元仿真软件。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 115510557 A 2022.12.23 CN 115510557 A 1.一种基于ABAQUS的胎面 花纹建模及有限元网格生成方法， 主 要包含以下步骤： 第一步， 清理花纹前期设计的二维图纸， 按照胎面花纹设计前期的二维AutoCAD图纸， 通过DXFOUT命令将花纹图输出为DX F文件； 第二步， 提取胎面花纹轮廓曲线， 根据第一步清 理之后的图纸， 提取图纸中的胎面轮廓 曲线， 并将轮廓曲线 单独输出为DXF文件， 在输出DXF文件之前， 将 轮廓上部和轮廓下部曲线 分别置于不同的图层， 同时将轮廓上部中心点 坐标平移至坐标原点CP(0,0)； 第三步， 生成轮廓边界控制点， 首先设置上部轮廓和下部轮廓曲线离散点数量N， 按照 控制点数量N对轮廓边界做离散操作， 同时保证轮廓上部和轮廓下部具有相同数量的控制 节点数N； 其次分别计算胎面轮胎上部和下部长度， 分别记 为topLen和 bottomLen； 然后根据 轮廓长度和集散点数N， 计算轮廓曲线的离散距离； 最后将轮廓上部的控制节点置于 topNodes数组变量， 将轮廓下部的控制 节点置于btmNodes数组变量， 数组变量中存储类型 为三维空间坐标点结构体， 包 含x,y,z三个 变量； 第四步， 胎面轮廓曲线展开， 将弧型胎面轮廓展开为一个平直平面， 计算胎面轮廓的长 度l， 得到展开之后的直线起 点坐标SP(0,0)， 终点 坐标为EP(l,0)； 第五步， 胎面轮廓上部控制点变换， 按照第二步中的操作， 胎面轮廓中心点坐标为CP (0,0)， 将原始轮廓上部分的控制点变换到第四步的直线轮廓之上； 其实施方法为： 首先依 次遍历第三步topNodes数组中的每一个控制点， 得到对应的控制点p(x,y)， 然后计算轮廓 中心点坐标到点p所在位置的曲线长度s， 这样对应于平直轮廓上的点坐标可以表示为p ’ (s,0)， 最后将计算得到的坐标点存 储在数组变量topTemp中； 第六步， 确定原始轮廓位置关系， 具体实施过程为： 首先遍历第三步中得到的轮廓下部 控制点数 组变量btmNodes， 得到坐标p(x,y)， 然后记点p在数 组中的位置索引为i， 通过数组 位置索引i,i+1得到对应在topNodes中坐标点p1,p2， 记向量v1＝p ‑p1和v2＝p1 ‑p2， 最后计 算向量v1的模长ds以及向量v1到v2的角度dθ， 通过相对于轮廓上部曲线对应位置的长度ds 和角度dθ 即可以唯一确定控制点的位置关系； 第七步， 胎面轮廓下部控制点变换， 具体实施过程为： 首先循环第五步中计算得到的 topTemp数组长度 ‑1， 分别得到相邻两点p1(x,y),p2(x,y),记向量v＝p2 ‑p1； 然后将向量v 按照顺时针方向旋转dθ得到向量v ’； 再将p1点按照向量v ’所在的方向移动ds距离， 即得到 胎面轮廓下部控制点 坐标； 最后将新的坐标存 储到btmTemp数组中； 第八步， 设置胎面花纹节距长度， 根据胎面花纹设计要求， 设置节距长度pitchLen (mm)； 第九步， 建立胎 面轮廓实体模型， 根据第八步 中的节距长度pitchLen， 利用ABAQUS软件 自带的实体建模 命令， 完成胎面轮廓三维模型建立； 第十步， 建立花纹几何模型， 在第九步的基础上通过实体建模中的开槽命令创建胎面 花纹沟槽； 第十一步， 生成花纹三维网格， 借助ABAQUS软件建立三维花纹有限元网格， 并将节点和 单元信息输出到INP文件； 第十二步， 设置轮胎胎面外直径D(mm)， 根据轮胎的具体型号和规格， 得到其最大外直 径为D； 第十三步， 花纹网格沿胎面横向变换， 具体实施过程为： 首先遍历网格中的每一个单权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115510557 A 2元， 取出单元中每一个节 点坐标， 记 为p(x,y,z)， 令单元节点坐标中z等于0， 这样节 点记为p (x,y,0)； 其次计算此时点p距离轮廓中心坐标点CP的水平距离dx和水平距离dy， p点沿y轴 方向的直线与平直表面的角度均为90度， 同时假定位于轮廓中心 点CP右侧的节点坐标距离 取正值， 位于轮廓中心 点CP左侧的节点坐标距离取负值； 然后按照原始胎面轮廓上部曲线， 根据距离轮廓中心 点CP的距离平移得到变换之后的参考节点坐标q(x,y)， 移动规则为如果 距离为正值， 则从轮廓中心点CP开始， 沿着轮廓线右侧移动距离dx， 反之， 则从轮廓中心点 CP开始， 沿着 轮廓线左侧移动距离dx； 最后过参考节 点q计算胎面轮廓上部曲线的法向向量 n， 将坐标q按照向量n移动距离dy， 移动之后即得到单元节点p变换之后的坐标p ’(x’,y’, z)， 并更新原单 元节点坐标， 将变换完成节点 坐标之后的单 元存储于elements数组变量中； 第十四步， 花纹网格沿胎面纵向变换， 首先根据轮胎胎面外直径D及花纹节距长度 pitchLen， 可以得到胎面花纹沿轮胎周向的圆弧角度为β ＝2*pitchLen/D， 轮胎胎面外半径 为R＝D/2； 然后遍历第十三步中elements数组， 取出单元中每一个节点坐标， 记为p(x,y, z)， 并计算其到x ‑z坐标平面的距离dy， 该点所在的圆弧半径为R ’＝R‑dy； 其次计算该点到 半径为R’圆弧最高点T(x,y,z)处的水平距离dz， 同时假定位于圆弧最高点T(pitchLen/2, 0,R’)右侧的距离取正值， 位于圆弧最高点T左侧的距离取负值； 最后根据圆弧半径R ’、 dz、 β 、 pitchLen得到此时节点变换之后的节 点坐标， 通过圆弧顶 点T沿着圆弧移动弧长ds确定， ds通过下式计算获得， 式中R’是圆弧半径、 dz是当前节点距圆弧最高点T的水平距离、 β 是圆弧角度、 pitchLen 是花纹节距长度， 同样规定如果距离为正值， 则从圆弧顶点T沿圆弧顺时针方向移动， 反之 则沿圆弧逆时针方向移动， 移动之后的点坐标即为变换完成之后的节点， 同时更新原节点 坐标值； 第十五步， 创建网格文件， 按照ABAQUS软件对输入格式的要求创建可用于仿真计算的 三维花纹网格I NP文件。 2.根据权利要求1所述的生成方法， 其特征在于： 第一步中， 所述清理为清理掉图纸中 非必要信息， 保留与花纹相关的几何元 素。 3.根据权利要求1所述的生成方法， 其特征在于： 第三步中， 根据胎面花纹轮廓轴对称 特性， 取轮廓右半部分， 根据轮廓中心点镜像得到 完整的轮廓边界控制点。 4.根据权利要求1所述的生成方法， 其特征在于： 将所述生成方法通过二 次开发编程嵌 入有限元仿真软件。 5.权利要求1 ‑4任一项所述生成方法的用途， 用于轮胎力学性能数值模拟， 以及轮胎性 能仿真。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115510557 A 3