CN104390794A - 基于转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性的方法，本发明的方法包括：设定测试轮胎的载荷、胎压、路面粗糙状态、滚动速度和运动工况(侧偏、侧倾等)，以下步骤的试验和仿真都在此条件下实施；利用ABAQUS软件对测试轮胎建模，并分别仿真其在内、外转鼓路面上的运动；用内、外转鼓试验台测试数据同时修正轮胎模型；用修正后的精确轮胎模型在平路面上仿真此设定条件下的轮胎运动，可精确预测其平路面力学特性。本发明方法只用转鼓试验台测试数据通过有限元技术就能有效消除路面曲率的影响，得到轮胎在平路面上的力学特性，具有所需试验设备简单、预测精度高的优点，同时此方法适用于包括大载荷、高转速的航空轮胎在内的所有轮胎。

Description

基于转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性的方法

技术领域

本发明属于轮胎力学特性测试方法领域，具体涉及一种基于转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性的方法，通过修正后的轮胎有限元模型在平路面上的仿真来预测轮胎的平路面力学特性，达到消除路面曲率对轮胎力学特性的影响的目的，用于无法进行高速平路面力学特性试验测试的所有轮胎力学特性的预测。

背景技术

轮胎是汽车上的重要部件，整车与地面间的作用力都是通过轮胎传递的。轮胎力学特性是汽车性能分析与设计的基础，并且对汽车的安全性、平顺性、操作稳定性等性能有着重要的影响。同时，轮胎也是飞机起落架系统的重要部件，其力学性能影响飞机起飞、着陆、制动、转弯和滑行阶段的运动特性，关系飞机的安全，对其飞机轮胎力学性能的研究也是轮胎动力学及飞机地面动力学的重要内容。目前测量轮胎力学特性的试验设备主要有五种，分别为平板式低速试验台、平带式高速试验台、试验拖车、外转鼓试验台和内转鼓试验台。其中，平板式低速试验台只能测得轮胎低转速时的平路面力学特性，但对于高转速轮胎是不适用的。平带式高速试验台能够测得轮胎低速和高速时的平路面力学特性，但由于平带式试验台的模拟路面是由绷紧在两个滚子之间的无缝钢带构成，因此也不能承受大载荷，也就是说此设备不能测得大载荷轮胎的平路面力学特性。试验拖车也无法实现高速重载下轮胎力学特性测试，无法满足航空轮胎力学性能测试的需要，且因实际路面状态的不易控性，采用试验拖车得到的轮胎测试数据具有一定的离散性。而外转鼓试验台或内转鼓试验台却能进行轮胎高速、重载下的力学特性测试，但因为转鼓表面存在曲率，会对轮胎的力学特性产生影响，不能精确得到轮胎在平路面上的力学特性。

为了实现使用转鼓试验台精确得到轮胎平路面力学特性的目的，必须找到一种方法来消除路面曲率对轮胎力学特性的影响。目前比较常用的方法是用半径较大的转鼓来减小曲率影响，因为通过研究发现，当转鼓半径大于2m时，其曲率影响会减弱，但这还是不能完全消除曲率影响。很多轮胎力学研究学者们都致力于研究转鼓路面曲率对轮胎力学特性影响的机理及本质，但基本上都是从测试数据入手，通过观察、处理数据，应用数学手段试图找到转鼓试验台测试数据与平板试验台测试数据之间的关系，然后研究出一些经验公式可以实现两种数据之间的转换，从而实现用转鼓试验台测试数据就能精确得到平路面力学特性的目的。但是，路面曲率与接地压力之间不是线性关系，它们之间的关系非常复杂，研究起来非常困难，很难实现只单纯使用经验公式就能转换两种数据。目前只有S.K.Clark教授提出一组公式，能将轮胎在外转鼓上测得的滚动阻力转换成相应的平路面滚动阻力，2009年被意大利学者Freudenmann,T.改进，但这组公式只适用于滚动阻力，而对于侧向力、回正力矩等是不适用的，存在很大局限性，而且这种通过处理测试数据找到的公式也是一种经验公式，不能普遍适用于所用轮胎和运动工况。

针对以上缺陷，有必要发明一种基于转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性的方法。随着计算机和仿真技术的快速发展，有限元技术被普遍使用，尤其轮胎有限元分析的应用已相当普及，ABAQUS是当前轮胎行业有限元分析的主要软件，因此可以通过有限元分析来实现消除鼓曲率对轮胎力学特性的影响的目的，也就出现了本发明的方法：先用内、外转鼓试验台测试数据修正轮胎有限元模型，再用修正后的轮胎有限元模型预测平路面力学特性，通过仿真技术与试验技术的融合，达到消除路面曲率对轮胎平路面力学特性影响的目的，为高速重载轮胎力学特性获取提供了一种全新的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性的方法，该方法能有效消除路面曲率对轮胎力学特性的影响。

一种基于转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性的方法，在设定的载荷、胎压、路面粗糙状态、滚动速度和运动工况下，用测试轮胎在内转鼓路面和外转鼓路面上的测试数据同时修正轮胎有限元模型，得到精确的轮胎有限元模型，再用此修正后的精确轮胎有限元模型在平路面上仿真此设定条件下的轮胎运动，精确预测其平路面力学特性，此方法将试验与仿真相融合，从而达到消除路面曲率对轮胎平路面力学特性的影响的目的，为重载轮胎力学特性获取提供了一种全新的方法，至少包含以下步骤：

第一步：设定要预测的平路面力学特性时的测试轮胎的载荷、胎压、路面粗糙状态、滚动速度和运动工况(侧偏、侧倾等)，以下步骤中的试验和仿真都在此设定条件下实施；

第二步：利用轮胎内转鼓试验台和外转鼓试验台分别完成第一步设定的条件下的轮胎力学特性试验，得到轮胎在内转鼓及外转鼓路面上的测试数据；

第三步：依据轮胎的设计几何参数及材料特性，利用有限元软件ABAQUS对测试轮胎建模，生成轮胎有限元模型；

第四步：利用有限元软件ABAQUS对外转鼓路面建模，使其路面状态符合第一步设定的路面粗糙状态，并组合第三步生成的轮胎有限元模型和外转鼓路面模型，然后仿真在第一步设定的条件下轮胎的力学特性，得到轮胎在外转鼓路面上力学特性的仿真结果；

第五步：利用有限元软件ABAQUS对内转鼓路面建模，使其路面状态符合第一步设定的路面粗糙状态，并组合第三步生成的轮胎有限元模型和内转鼓路面模型，然后仿真在第一步设定的条件下轮胎的力学特性，得到轮胎在内转鼓路面上力学特性的仿真结果；

第六步：进行第二步得到的轮胎在内、外转鼓路面上的测试数据和第四步、第五步得到的仿真结果对比，分析对比结果并修正轮胎有限元模型，得到精确的轮胎有限元模型；

第七步：利用有限元软件ABAQUS对平路面建模，使其路面状态符合第一步设定的路面粗糙状态，并组合第六步得到的精确轮胎有限元模型和平路面模型，仿真在第一步设定的条件下轮胎的力学特性，得到轮胎在平路面上力学特性的预测结果。

所述的设定要预测的平路面力学特性时的测试轮胎的载荷、胎压、路面粗糙状态、滚动速度和运动工况(侧偏、侧倾等)，这些设定的条件涵盖了各种载荷、各种胎压、各种路面粗糙状态(光路面、粗糙路面等)、各种滚动速度(低速、中速、高速)和各种运动工况(纯工况：侧偏、侧倾、纵滑等；复合工况：侧偏侧倾、侧偏纵滑、侧偏侧倾纵滑等)，使得本发明方法可以适用于所有轮胎，并可预测各种条件下的轮胎平路面力学特性。

所述的第二步至第七步的试验、建模、仿真、修正及预测都是在第一步设定的条件下实施的，若设定的条件改变都必须重新进行第二步至第七步，才能保证轮胎在平路面上力学特性预测结果的准确性。

所述的利用有限元软件ABAQUS对内转鼓路面和外转鼓路面建模，得到的内、外转鼓路面模型的半径是与第二步使用的内、外转鼓试验台的半径是相同的，就是说外转鼓路面模型的鼓面半径等于外转鼓试验台鼓面半径、内转鼓路面模型的鼓面半径等于内转鼓试验台鼓面半径，且内转鼓鼓面半径与外转鼓鼓面半径可以不同，从而使得本发明方法不局限于特定半径的转鼓试验台，可基于各种半径的转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性。

所述的修正轮胎有限元模型，修正的重点在于接触摩擦模型(包括ABAQUS软件内嵌的摩擦模型及用FORTRAN语言二次开发的自定义摩擦模型)，通过修正摩擦系数与接触压力、温度、滑移速度的关系，使轮胎在内、外转鼓路面上的测试数据和有限元模型仿真结果对比达到精度要求。ABAQUS本身内嵌了一些接触摩擦模型(如库伦摩擦模型、指数衰减摩擦模型等)，在仿真时可以直接调用，通过修正不同的摩擦模型对应的参数来改善仿真结果，当这些内嵌摩擦模型不能满足需求时，可以用FORTRAN语言二次开发更精确的摩擦模型，通过ABAQUS子程序接口调用此模型。

所述的修正轮胎有限元模型，需要同时使用内转鼓试验台测试数据和外转鼓试验台测试数据对轮胎有限元模型进行修正，相比单独使用外转鼓试验台测试数据或单独使用内转鼓试验台测试数据能够得到更精确的轮胎有限元模型修正结果。因为外转鼓路面是凸形路面而内转鼓路面是凹形路面，这两种路面对轮胎的接地印迹及力学特性的影响不同，当轮胎有限元模型在内转鼓路面和外转鼓路面上的仿真结果与其对应的测试数据对比都比较吻合时，说明此时的轮胎有限元模型是精确的，该模型的预测结果更可靠。

本发明具有以下优点和技术效果：

1.本发明提出的预测方法是用内、外转鼓试验台测试数据同时修正轮胎有限元模型，比只用一种转鼓试验台测试数据修正轮胎有限元模型更可靠，得到的轮胎有限元模型更精确。

2.本发明提出的预测方法可有效消除路面曲率对轮胎平路面力学特性的影响，即可精确得到轮胎的平路面力学特性。

3.本发明提出的预测方法可预测各种载荷、各种胎压、各种路面粗糙状态、各种滚动速度和各种运动工况下的轮胎平路面力学特性，适用工况广。

4.本发明提出的预测方法适用于各种轮胎，包括乘用车、越野车、工程机械车、摩托车、特种车等汽车轮胎和航空轮胎。

附图说明

图1是本发明的预测方法的实施流程图

图2是轮胎内、外转鼓试验台图

图3(a)和3(b)是轮胎在外转鼓路面上的试验结果

图4(a)和4(b)是轮胎在内转鼓路面上的试验结果

图5是待测试轮胎的AUTOCAD剖面图

图6是利用Hypermesh划分的轮胎剖面的网格图

图7是在ABAQUS中生成的二维轮胎有限元模型图

图8是在ABAQUS中生成的三维轮胎有限元模型图

图9是轮胎有限元模型与外转鼓路面组合图

图10是轮胎有限元模型与内转鼓路面组合图

图11是轮胎有限元模型与平路面结合图

图12(a)和12(b)是轮胎平路面上力学特性的预测结果

具体实施方式：

一种基于转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性的方法，在设定的载荷、胎压、路面粗糙状态、滚动速度和运动工况下，用测试轮胎在内转鼓路面和外转鼓路面上的测试数据同时修正轮胎有限元模型，得到精确的轮胎有限元模型，再用此修正后的精确轮胎有限元模型在平路面上仿真此设定条件下的轮胎运动，精确预测其平路面力学特性，此方法将试验与仿真相融合，从而达到消除路面曲率对轮胎力学特性的影响的目的。

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式。

实施例：

预测某子午线轮胎在载荷6000N，胎压760KPa，路面摩擦系数u＝0.85，滚动速度0.15m/s，侧偏工况下的平路面力学特性。

图1是本发明的预测方法的实施流程图，下面以一个轮胎实例按照本发明提供的基于转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性的方法的实施过程进行具体说明。

第一步：设定要预测的平路面力学特性时的测试轮胎的载荷为6000N、胎压为760KPa、路面摩擦系数为0.85、滚动速度为0.15m/s和运动工况为侧偏工况，以下步骤中的试验和仿真都在此设定条件下实施；

第二步：利用如图2所示的轮胎内转鼓试验台和外转鼓试验台分别完成第一步设定的条件下的轮胎力学特性试验，得到轮胎在内转鼓及外转鼓路面上的侧偏工况的测试数据，既侧向力数据和回正力矩数据，如图3(a)、图3(b)和图4(a)、图4(b)所示；

第三步：依据轮胎的设计几何参数及材料特性，利用有限元软件ABAQUS对测试轮胎建模，生成轮胎有限元模型：

首先，取如图5所示的待测试轮胎的AUTOCAD剖面图，通过轮胎轮廓图的中心线，删掉轮胎轮廓图的一半，取一半进行分析，在AUTOCAD中稍微修改下轮胎轮廓使其形状规则，便于后续划分网格；

其次，将修正后的轮胎剖面图导入Hypermesh中，再在Hypermesh中对导入的轮胎剖面图划分网格，划分时尽量保持网格是规则的四边形，并且检查网格质量，最好保证单元的jacobian值为0.7以上，划分好后镜像为完整的轮胎剖面网格图，如图6所示；

然后，将Hypermesh中的网格和节点信息以INP文件的形式导出，编写此INP文件，将轮辋信息，装配信息，橡胶材料信息，胎压信息编写进去，在ABAQUS中运行生成如图7所示的二维轮胎有限元模型；

最后，通过编写INP文件，利用旋转命令*SYMMETRIC MODEL GENERATION,REVOLVE,ELEMENT＝10000,NODE＝10000,TRANSPORT，将图7的二维轮胎有限元模型旋转为图8所示的三维轮胎有限元模型；

注：本步骤中划分网格不一定必须在Hypermesh中完成，可在任何有限元软件中完成此步骤，本实施例选择使用Hypermesh只是因为它划分网格比较方便；

第四步：利用有限元软件ABAQUS中的命令*SURFACE,TYPE＝REVOLUTION,NAME＝SDRUM对外转鼓路面建模，使其路面状态符合第一步设定的路面粗糙状态，并组合第三步生成的轮胎有限元模型和外转鼓路面模型，如图9所示，然后仿真在第一步设定的条件下轮胎的力学特性，得到轮胎在外转鼓路面上的侧偏工况力学特性的仿真结果，既侧向力数据和回正力矩数据；

第五步：利用有限元软件ABAQUS中的命令*SURFACE,TYPE＝REVOLUTION,NAME＝SDRUM对内转鼓路面建模，使其路面状态符合第一步设定的路面粗糙状态，并组合第三步生成的轮胎有限元模型和内转鼓路面模型，如图10所示，然后仿真在第一步设定的条件下轮胎的力学特性，得到轮胎在内转鼓路面上的侧偏工况力学特性的仿真结果，既侧向力数据和回正力矩数据；

第六步：进行第二步得到的轮胎在内、外转鼓路面上的测试数据和第四步、第五步得到的仿真结果对比，分析对比结果并修正轮胎有限元模型，得到精确的轮胎有限元模型：

在橡胶材料模型及参数和钢丝排布角等确定后，修正摩擦模型对应的参数，本实施例选用的是ABAQUS内嵌的库伦摩擦模型，对应两个参数FRIC和SLIP，第一步设定的FRIC＝0.85，SLIP为默认值0.005，但仿真结果与测试数据对比没达到精度要求，现调整SLIP的值为0.03，使其仿真结果与测试数据对比达到90％的精度要求；

第七步：利用有限元软件ABAQUS中的命令*SURFACE,TYPE＝CYLINDER,NAME＝SROAD对平路面建模，使其路面状态符合第一步设定的路面粗糙状态，并组合第六步得到的精确轮胎有限元模型和平路面模型，如图11所示，仿真在第一步设定的条件下轮胎的力学特性，得到轮胎在平路面上力学特性的预测结果，由于本实施例是预测轮胎侧偏工况的平路面力学特性，因此只输出轮胎在平路面上的侧向力和回正力矩数据，并将侧偏角与侧向力和侧偏角与回正力矩关系曲线画出，即可实现本实施例的最后预测目标，如图12(a)、图12(b)所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，是为了便于相关技术领域的技术人员理解和应用本预测方法。这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性的方法，其特征在于：在设定的载荷、胎压、路面粗糙状态、滚动速度和运动工况下，用测试轮胎在内转鼓路面和外转鼓路面上的测试数据同时修正轮胎有限元模型，得到精确的轮胎有限元模型，再用此修正后的精确轮胎有限元模型在平路面上仿真此设定条件下的轮胎运动，精确预测其平路面力学特性，此方法将试验与仿真相融合，从而达到消除路面曲率对轮胎力学特性的影响的目的，为重载轮胎力学特性获取提供了一种全新的方法，至少包含以下步骤：

第一步：设定要预测的平路面力学特性时的测试轮胎的载荷、胎压、路面粗糙状态、滚动速度和运动工况(侧偏、侧倾等)，以下步骤中的试验和仿真都在此设定条件下实施；

第二步：利用轮胎内转鼓试验台和外转鼓试验台分别完成第一步设定的条件下的轮胎力学特性试验，得到轮胎在内转鼓及外转鼓路面上的测试数据；

第三步：依据轮胎的设计几何参数及材料特性，利用有限元软件ABAQUS对测试轮胎建模，生成轮胎有限元模型；

第四步：利用有限元软件ABAQUS对外转鼓路面建模，使其路面状态符合第一步设定的路面粗糙状态，并组合第三步生成的轮胎有限元模型和外转鼓路面模型，然后仿真在第一步设定的条件下轮胎的力学特性，得到轮胎在外转鼓路面上力学特性的仿真结果；

第五步：利用有限元软件ABAQUS对内转鼓路面建模，使其路面状态符合第一步设定的路面粗糙状态，并组合第三步生成的轮胎有限元模型和内转鼓路面模型，然后仿真在第一步设定的条件下轮胎的力学特性，得到轮胎在内转鼓路面上力学特性的仿真结果；

第六步：进行第二步得到的轮胎在内、外转鼓路面上的测试数据和第四步、第五步得到的仿真结果对比，分析对比结果并修正轮胎有限元模型，得到精确的轮胎有限元模型；

第七步：利用有限元软件ABAQUS对平路面建模，使其路面状态符合第一步设定的路面粗糙状态，并组合第六步得到的精确轮胎有限元模型和平路面模型，仿真在第一步设定的条件下轮胎的力学特性，得到轮胎在平路面上力学特性的预测结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性的方法，其特征在于，第一步所述的设定要预测的平路面力学特性时的测试轮胎的载荷、胎压、路面粗糙状态、滚动速度和运动工况(侧偏、侧倾等)，这些设定的条件涵盖了各种载荷、各种胎压、各种路面粗糙状态(光路面、粗糙路面等)、各种滚动速度(低速、中速、高速)和各种运动工况(纯工况：侧偏、侧倾、纵滑等，复合工况：侧偏侧倾、侧偏纵滑、侧偏侧倾纵滑等)，使得本发明方法可以适用于所有轮胎，并可预测各种条件下的轮胎平路面力学特性。

3.根据权利要求1所述的一种基于转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性的方法，其特征在于，第二、三、四、五、六、七步所述的试验、建模、仿真、修正及预测都是在第一步设定的条件下实施的，若设定的条件改变，必须重新进行第二步至第七步，才能保证轮胎在平路面上力学特性预测结果的准确性。

4.根据权利要求1所述的一种基于转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性的方法，其特征在于，第四、五步所述的利用有限元软件ABAQUS对内转鼓路面和外转鼓路面建模，得到的内、外转鼓路面模型的半径是与第二步使用的内、外转鼓试验台的半径相同的，就是说外转鼓路面模型的鼓面半径等于外转鼓试验台的鼓面半径、内转鼓路面模型的鼓面半径等于内转鼓试验台的鼓面半径，且内转鼓鼓面半径与外转鼓鼓面半径可以不同，从而使得本发明方法不局限于特定半径的转鼓试验台，可基于各种半径的转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性。

5.根据权利要求1所述的一种基于转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性的方法，其特征在于，第六步所述的修正轮胎有限元模型，修正的重点在于接触摩擦模型(包括ABAQUS软件内嵌的摩擦模型及用FORTRAN语言二次开发的自定义摩擦模型)，通过修正摩擦系数与接触压力、温度、滑移速度的关系，使轮胎在内、外转鼓路面上的测试数据和有限元模型仿真结果对比达到精度要求。

6.根据权利要求1所述的一种基于转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特性的方法，其特征在于，第六步所述的修正轮胎有限元模型，需要同时使用内转鼓试验台测试数据和外转鼓试验台测试数据对轮胎有限元模型进行修正，相比单独使用外转鼓试验台测试数据或单独使用内转鼓试验台测试数据能够得到更精确的轮胎有限元模型修正结果。