CN101840449A - 轮胎受力仿真方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮胎受力仿真方法及其系统，该方法包括步骤：根据设定的结构参数，对仿真对象的选定零部件进行三维建模，建立其车身模型及轮胎模型；根据部件之间的相对运动关系，对模型添加约束、负载及驱动；建立路面模型，设置轮胎的加载类型及轮胎与路面的接触参数；设置仿真步数、仿真时间，开始仿真并获取轮胎的受力仿真数据。本发明的方法及系统采用计算机仿真技术能有效减少实际试验的次数，加快产品开发进度，降低开发成本，提高产品的性能。

Description

轮胎受力仿真方法及其系统

技术领域

本发明涉及动力学仿真技术领域，尤其涉及一种轮胎受力仿真方法及其系统。

背景技术

拖拉机作为动力机械，在农业上有着广泛的应用。轮式拖拉机在整机结构的先进性、使用的可靠性、转弯的灵活性及作业的适用范围等方面均优于履带式拖拉机。尤其是轮胎对路面破坏作用小这一点，使得轮式拖拉机成为在农业生产中普遍使用的动力机械。

然而，因为拖拉机工作环境较为复杂，无论是道路运行还是田间作业都要受到各种条件和环境的影响，尤其是土壤地面的特殊性和作业路况的复杂性，且轮胎与地面间存在大量接触碰撞，使得分析拖拉机在软土路面上运动时的轮胎受力很困难，早期主要用纯数学建模方式对轮胎受力进行研究，很难建立准确的动力学模型。

随着地面力学以及多体动力学软件的发展和完善，为研究轮式拖拉机在软土路面上运动时的轮胎受力仿真分析提供了理论与技术支持。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提高轮胎受力分析的准确性。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种轮胎受力仿真方法，该方法包括步骤：

S1.根据设定的结构参数，对仿真对象的选定零部件进行三维建模，建立其车身模型及轮胎模型；

S2.根据部件之间的相对运动关系，对模型添加约束、负载及驱动；

S3.建立路面模型，设置轮胎的加载类型及轮胎与路面的接触参数；

S4.设置仿真步数、仿真时间，开始仿真并获取轮胎的受力仿真数据。

2、如权利要求1所述的轮胎受力仿真方法，其特征在于，步骤S4后进一步包括：

S5.若所述受力仿真数据符合设定要求，则结束仿真，否则，根据所述受力仿真数据调整结构参数，返回执行步骤S2。

其中，在步骤S1中，选定零部件模型通过多体系统动力学仿真软件RecurDyn建立，其中，轮胎模型通过所述软件的Soil Tire模块建立。

其中，在步骤S1中，轮胎模型通过多体系统动力学仿真软件RecurDyn的Soil Tire模块建立，除轮胎外的选定零部件模型通过计算机辅助设计软件建立后导入所述多体系统动力学仿真软件RecurDyn。

其中，在步骤S3中，所述路面模型以及轮胎与路面的接触参数通过多体系统动力学仿真软件RecurDyn建立和设置。

一种轮胎受力仿真系统，其特征在于，该系统包括：模型建立模块，用于根据设定的结构参数，对仿真对象的选定零部件进行三维建模，建立其车身模型及轮胎模型；模型参数设置模块，用于根据部件之间的相对运动关系，对模型添加约束、负载及驱动；路面模型建立模块，用于建立路面模型，设置轮胎的加载类型及轮胎与路面的接触参数；仿真模块，设置仿真步数、仿真时间，开始仿真并获取轮胎的受力仿真数据。

其中，该系统还包括：优化模块，用于在所述受力仿真数据符合设定要求时，结束仿真，否则，以所述受力仿真数据为参考，调整结构参数，输入模型建立模块。

其中，模型建立模块为多体系统动力学仿真软件RecurDyn。

其中，模型建立模块进一步包括：轮胎模型建立单元，用于建立轮胎模型，为多体系统动力学仿真软件RecurDyn的Soil Tire模块；零部件模型建立单元，用于建立除轮胎外的选定零部件模型并将其导入所述多体系统动力学仿真软件RecurDyn，为三维建模软件入。

其中，路面模型建立模块为多体系统动力学仿真软件RecurDyn。

(三)有益效果

本发明的方法及系统，采用多体动力学仿真软件RecurDyn实现轮式拖拉机在软路面上运动时轮胎与路面相互作用过程的仿真分析，获得轮胎的变形、纵向速度、滑转率、垂直负载、运动阻力、牵引力和轮胎扭矩等受力仿真数据，可以和实际试验结合，用于确定轮胎在不同土壤类型下的牵引性能、结构参数(轮胎宽度、轮胎直径等)和使用参数(行驶速度、滑转率等)之间的关系，在此基础上为仿真对象的整机结构优化分析设计和不同土壤类型下驱动轮的设计提供帮助。采用计算机仿真技术能有效减少实际试验的次数，加快产品开发进度，降低开发成本，提高产品的性能。

附图说明

图1为依照本发明一种实施方式的轮胎受力仿真方法流程图；

图2为实施例的轮胎受力仿真方法流程图。

具体实施方式

本发明提出的轮胎受力仿真方法及其系统，结合附图和实施例详细说明如下。

如图1所示，为依照本发明本发明一种实施方式的轮胎受力仿真方法流程图，该方法包括步骤：

S1.根据设定的结构参数，对仿真对象的主要零部件进行三维建模，建立其车身模型及轮胎模型；

其中，轮胎模型通过RecurDyn软件的Soil Tire模块建立，其他选定零部件模型通过RecurDyn建立，也可以采用Pro/E、UG、Soildworks等专用的计算机辅助设计软件(Computer AidedDesign，CAD)进行建模，然后通过RecurDyn提供的接口导入到RecurDyn中使用。

RecurDyn(Recursive Dynamic)是由韩国FunctionBay公司开发出的新一代多体系统动力学仿真软件，其Soil Tire模块是基于Bekker压力-沉陷理论来实现的。

S2.根据仿真分析的要求，对仿真对象的主要零部件进行处理，根据部件之间的相对运动关系，对模型添加约束、负载，完成仿真模型的建立，然后添加驱动，对结构进行初步的运动仿真，观察结果是否与实际相符，可以根据需要，进一步优化模型的结构，如增加摩擦、定义柔性体等；

S3.建立路面模型，根据实际需要设置轮胎的加载类型及轮胎与路面的接触参数，通过这些参数的设置实现不同土壤类型下的轮胎受力仿真；

利用RecurDyn提供的Ground模块，根据需要采用Outline Road(折线建模)、Spline Road(样条曲线建模)或Face Road(面建模)等方式建立不同的路面模型。RecurDyn软件本身提供了一些常用的路面模型，也可以采用第三方软件建立.rdf格式的路面模型文件，再通过Import Road的方式导入RecurDyn中使用。根据实际需要，可设置轮胎的加载类型为Rigid Wheel(刚性轮胎)、Elastic Wheel(弹性轮胎)、Parabolic Approach(抛物线逼近)、Rigid Wheel With Soil Dynamics(基于土壤动力学的刚性轮胎)或Elastic Wheel With Soil Dynamics(基于土壤动力学的弹性轮胎)，并设置轮胎与路面的接触参数。

S4.设置仿真步数、仿真时间，开始仿真并获取轮胎的受力仿真数据，包括轮胎的变形、纵向速度、滑转率、垂直负载、运动阻力、牵引力和轮胎扭矩等受力仿真数据。

RecurDyn提供了不同类型的函数来构造表达式。设置仿真步数和仿真时间，然后开始仿真。仿真结束后，可以获得轮胎的变形、纵向速度、滑转率、垂直负载、运动阻力、牵引力和轮胎扭矩等受力仿真数据。

此外，步骤S4后还可进一步包括：

S5.若受力仿真数据符合设定要求，则结束仿真，否则，根据受力仿真数据调整结构参数，返回执行步骤S2。

本发明还提供了一种轮胎受力仿真系统，该系统包括：模型建立模块，用于根据设定的结构参数，对仿真对象的选定零部件进行三维建模，建立其车身模型及轮胎模型；模型参数设置模块，用于根据部件之间的相对运动关系，对模型添加约束、负载及驱动；路面模型建立模块，用于建立路面模型，设置轮胎的加载类型及轮胎与路面的接触参数；仿真模块，设置仿真步数、仿真时间，开始仿真并获取轮胎的受力仿真数据；优化模块，用于在受力仿真数据符合设定要求时，结束仿真，否则，以所述受力仿真数据为参考，调整结构参数，输入模型建立模块。

其中，模型建立模块为多体系统动力学仿真软件RecurDyn，模型建立模块还可进一步包括：轮胎模型建立单元，用于建立轮胎模型，为多体系统动力学仿真软件RecurDyn的Soil Tire模块；零部件模型建立单元，用于建立除轮胎外的选定零部件模型并将其导入所述多体系统动力学仿真软件RecurDyn，为三维建模软件入。路面模型建立模块为多体系统动力学仿真软件RecurDyn。

实施例

如图2所示，为本实施例的轮胎受力仿真方法流程图，以轮式拖拉机为仿真对象，对其在软土路面上运动时轮胎受力进行仿真，该方法包括步骤：

首先，启动RecurDyn，建立简化的轮式拖拉机模型，也可采用Pro/E、UG、Soildworks等专用的CAD软件进行三维建模，然后通过RecurDyn提供的接口导入到RecurDyn中使用。只建立轮式拖拉机的四个轮胎、前轴、后轴和车架模型，设置前后轮轮距和前后轴轴距，并在前轴和后轴上施加合理的车体质量，保证车体质量和转动惯量与实际一致。四个轮胎利用RecurDyn的Soil Tire轮胎模块建立。

其次，为三维模型添加运动、约束和驱动。车架是建立拖拉机仿真模型的基本实体，并通过固定约束与前后轴连接。轮胎通过旋转副与前后轴连接在一起，通过定义轮胎的旋转速度来实现拖拉机的运动。为防止启动时速度有突变，在轮胎转动中心的旋转副处施加step函数--5×step(time，0，0，0.1，1)，即轮胎转速在0.1秒内从0平稳逼近到5rad/s。

然后，利用RecurDyn软件的Ground模块所提供的Outline Road(折线建模)方式，建立水平路面，也可以采用第三方软件建立.rdf格式的路面模型文件，再通过Import Road的方式导入RecurDyn中使用。定义轮胎与路面的接触参数，每个Soil Tire轮胎可以有其自己的路面和路面参数，根据轮胎与土壤的接触类型将轮胎加载模型设置为Rigid Wheel With Soil Dynamics(基于土壤动力学的刚性轮胎)；然后定义轮胎宽度、轮胎直径、内聚的土壤刚度、内摩擦的土壤刚度、土壤变形指数、内聚力、剪切阻力角、剪切变形模量、沉陷率等参数。

最后，设置仿真步数为500步和仿真时间为4秒，开始仿真。仿真结束后，获得相应的受力仿真数据，并以动画、表格、曲线的形式输出，实现对轮胎受力的分析。

验证仿真分析结果是否与试验结果一致，若不一致则重新修改轮胎模型参数和轮胎与路面的接触参数，重复上述仿真过程，直至仿真结果与试验结果一致后，进行轮式拖拉机系统的优化仿真分析。

本实施例的方法通过对轮式拖拉机轮胎在软土路面上受力的仿真分析，确定轮胎在不同土壤类型下的牵引性能、结构参数(轮胎宽度、轮胎直径等)和使用参数(行驶速度、滑转率等)之间的关系，在此基础上为轮式拖拉机的整机结构优化分析设计和不同土壤类型下驱动轮的设计提供帮助。利用仿真分析技术实现虚拟试验，以代替实际试验，实现了试验不受场地、时间和次数的限制，可对试验过程进行回放、再现和重复，对产品性能进行预测，可以大幅度减少实际试验次数，缩短新产品试验周期，同时降低实际试验费用。对保证轮式拖拉机的质量、寿命、性能、成本等方面发挥着重要作用，具有良好的经济、社会、环境效益。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种轮胎受力仿真方法，该方法包括步骤：

S1.根据设定的结构参数，对仿真对象的选定零部件进行三维建模，建立其车身模型及轮胎模型；

S2.根据部件之间的相对运动关系，对模型添加约束、负载及驱动；

S3.建立路面模型，设置轮胎的加载类型及轮胎与路面的接触参数；

S4.设置仿真步数、仿真时间，开始仿真并获取轮胎的受力仿真数据。

2.如权利要求1所述的轮胎受力仿真方法，其特征在于，步骤S4后进一步包括：

S5.若所述受力仿真数据符合设定要求，则结束仿真，否则，根据所述受力仿真数据调整结构参数，返回执行步骤S2。

3.如权利要求1所述的轮胎受力仿真方法，其特征在于，在步骤S1中，选定零部件模型通过多体系统动力学仿真软件RecurDyn建立，其中，轮胎模型通过所述软件的SoilTire模块建立。

4.如权利要求1所述的轮胎受力仿真方法，其特征在于，在步骤S1中，轮胎模型通过多体系统动力学仿真软件RecurDyn的SoilTire模块建立，除轮胎外的选定零部件模型通过计算机辅助设计软件建立后导入所述多体系统动力学仿真软件RecurDyn。

5.如权利要求1所述的轮胎受力仿真方法，其特征在于，在步骤S3中，所述路面模型以及轮胎与路面的接触参数通过多体系统动力学仿真软件RecurDyn建立和设置。

6.一种轮胎受力仿真系统，其特征在于，该系统包括：

模型建立模块，用于根据设定的结构参数，对仿真对象的选定零部件进行三维建模，建立其车身模型及轮胎模型；

模型参数设置模块，用于根据部件之间的相对运动关系，对模型添加约束、负载及驱动；

路面模型建立模块，用于建立路面模型，设置轮胎的加载类型及轮胎与路面的接触参数；

仿真模块，设置仿真步数、仿真时间，开始仿真并获取轮胎的受力仿真数据。

7.如权利要求6所述的轮胎受力仿真系统，其特征在于，该系统还包括：

优化模块，用于在所述受力仿真数据符合设定要求时，结束仿真，否则，以所述受力仿真数据为参考，调整结构参数，输入模型建立模块。

8.如权利要求6所述的轮胎受力仿真系统，其特征在于，模型建立模块为多体系统动力学仿真软件RecurDyn。

9.如权利要求6所述的轮胎受力仿真系统，其特征在于，模型建立模块进一步包括：

轮胎模型建立单元，用于建立轮胎模型，为多体系统动力学仿真软件RecurDyn的Soil Tire模块；

零部件模型建立单元，用于建立除轮胎外的选定零部件模型并将其导入所述多体系统动力学仿真软件RecurDyn，为三维建模软件入。

10.如权利要求6所述的轮胎受力仿真系统，其特征在于，路面模型建立模块为多体系统动力学仿真软件RecurDyn。

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