CN109284550B - 一种轮胎滑水流固耦合仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轮胎滑水流固耦合仿真分析方法，包括如下步骤：建立轮胎和路面的力学模型；建立流体域模型；模拟轮胎滑水过程：模拟轮胎充气加载过程，通过流体逐渐加速冲击轮胎模拟轮胎滑水流固耦合过程，得出轮胎滑水速度。所述建立轮胎和路面的力学模型具体为：建立三维壳体轮胎模型；在胎面法线方向和距离胎面中心为预设范围的高度上建立路面壳体模型。所述建立流体域模型具体为：根据轮胎的力学模型建立六面体模型，所述六面体模型底面与路面接触，所述六面体模型顶面与轮胎的力学模型相交，得到的剩余模型为流体域模型。本发明能够综合考虑轮胎的非线性变形以及流体动压力的双向流固耦合作用，可以快速、准确地模拟轮胎滑水现象。

Description

一种轮胎滑水流固耦合仿真分析方法

技术领域

本发明涉及轮胎仿真领域，特别涉及一种轮胎滑水流固耦合仿真分析方法。

背景技术

汽车在湿滑的路面上行驶时，由于水膜的润滑作用，使得胎面与路面之间的摩擦系数显著降低，轮胎会非常容易发生打滑现象，这种现象称之为滑水。当轮胎轮速较低时，在流体动压力作用下，轮胎与路面会发生部分脱离，称为部分滑水，当轮胎轮速超过某一极限值时，流体动压力会使得轮胎与路面完全脱离接触，发生完全滑水现象，此时会导致轮胎完全丧失驱动力、制动力以及转向力，直接威胁到乘客与驾驶人员的人身安全。因此，提升轮胎的抗滑水性能对保证车辆在湿滑路面上行驶安全与稳定具有重要意义。

为此，国内外学者以及轮胎厂商对于如何提高轮胎的抗滑水性能展开了大量科研工作。研究发现，虽然试验方法研究轮胎滑水问题是最直接的研究手段，但试验方法存在研究费用昂贵、周期长等缺点，并且很难揭示轮胎复杂的内部结构机理，而近几年随着计算机硬件和有限元软件的飞速发展，数值计算已成为研究轮胎滑水问题的主要方法，有限元的应用可为轮胎前期设计工作提供较为可靠的依据，且在很大程度上节省了人力、物力和财力并提高了分析效率，所以为更高效、便捷、准确地分析轮胎滑水问题，展开基于Workbench平台的轮胎滑水流固耦合仿真分析方法的研究尤为重要。

现有的轮胎滑水仿真分析方法中轮胎模型的建立是依据实际轮胎材料分布结构而进行的，这就导致在考虑轮胎滑水的仿真分析方法中往往存在操作复杂、计算时间过长、对计算机配置要求较高等问题的产生，且无法有效考虑轮胎与水流之间的流固强耦合作用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种轮胎滑水流固耦合仿真分析方法，能够综合考虑轮胎非线性变形及流体动压力的流固耦合作用，可快速、准确地模拟轮胎滑水现象，也可为高性能抗滑水轮胎的设计和优化提供理论依据。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种轮胎滑水流固耦合仿真分析方法，包括如下步骤：

建立轮胎和路面的力学模型；

建立流体域模型；

模拟轮胎滑水过程：模拟轮胎充气加载过程，通过流体逐渐加速冲击轮胎模拟轮胎滑水流固耦合过程，得出轮胎滑水速度。

进一步，所述建立轮胎和路面的力学模型具体为：建立三维壳体轮胎模型；在胎面法线方向和距离胎面中心为预设范围的高度上建立路面壳体模型。

进一步，所述建立流体域模型具体为：根据轮胎的力学模型，建立六面体模型，所述六面体模型底面与路面接触，所述六面体模型顶面与轮胎的力学模型相交，通过六面体模型与轮胎的力学模型进行布尔减操作，得到的剩余模型为流体域模型。

进一步，还包括网格划分和边界条件的定义；对轮胎、路面和流体域模型分别定义材料属性，定义轮胎-路面接触算法，对轮胎、路面和流体域模型分别网格划分和边界条件定义。

进一步，所述轮胎-路面接触算法为：所述轮胎胎面作为接触面，所述路面作为目标面；所述轮胎-路面接触定义为库伦摩擦模型，摩擦系数定义为真实的路面摩擦系数；在仿真过程中轮胎-路面间的距离始终维持在预设范围内；所述轮胎和路面边界条件为：所述路面为固定约束；在所述轮胎内表面施加额定气压；在所述轮胎的轮辋处施加额定载荷，并允许轮辋沿法向运动；轮胎胎面为流固耦合面；所述流体域模型网格划分采用补片协调的四面体网格划分。

进一步，所述流体域模型的边界条件定义具体为：在所述流体域模型上确定速度入口、压力出口和壁面，所述速度入口处定义流体的运动，流体的运动形式为：在所述轮胎充气、加载过程中流体流速度为零，待所述轮胎充气加载稳定后流体流逐渐加速并趋于稳定。

进一步，所述模拟轮胎充气加载过程具体为：定义时间步长、总时间以及求解类型；在所述轮胎内表面充气加压至额定气压，并保持所述额定气压至分析结束；在轮胎充气至额定气压时，在所述轮胎的轮辋处施加载荷至额定载荷，并保持所述额定载荷至分析结束。

进一步，轮胎滑水速度的计算方法为：待所述流体域模型与所述轮胎交接面处流体的动压力等于或大于轮胎所受载荷时，则此状态下流体的流动速度即为轮胎滑水速度。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的轮胎滑水流固耦合仿真分析方法，能够综合考虑轮胎的非线性变形以及流体动压力的双向流固耦合作用，可以快速、准确地模拟轮胎滑水现象。

2.本发明所述的轮胎滑水流固耦合仿真分析方法，其仿真分析结果准确在一定程度上也可为高性能抗滑水轮胎的设计和优化提供理论依据。

附图说明

图1为本发明所述的轮胎滑水流固耦合仿真分析方法的流程图。

图2为本发明所述的轮胎-路面三维壳体模型示意图。

图3为本发明所述的流体域模型示意图。

图4为本发明所述的流体域边界条件示意图。

图5为本发明所述的轮胎滑水流固耦合仿真分析过程示意图。

图6为本发明干湿路面上力随时间变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明的轮胎滑水流固耦合仿真分析方法，按下面实例为依据：轮胎为某厂家提供的型号为205/55R16的光面胎，断面高为112.75mm，水膜高度为10mm。

如图1所示，本实施例包括如下主要步骤：

步骤1，建立型号为205/55R16的光面胎、路面三维壳体模型以及流体域模型；

步骤1-1：轮胎、路面建模方法为：

首先，在AutoCAD中建立轮胎二维断面轮廓图，以面域的形式导入Workbench的瞬态结构力学模块中；

然后，将轮胎、轮辋的轮廓线分别沿旋转轴Y轴旋转360°形成三维壳体模型，将两模型组建成一个Part部件；

最后，沿胎面法线方向即Y轴方向、距胎面中心1mm处建立路面壳体模型。

步骤1-2：流体域的建模方法为：

首先，沿轮胎胎面法线即Y轴方向、距胎面中心1mm处建立10mm水膜深度的长宽各为200mm的六面体模型，且六面体模型的底面与路面相接触；

然后，将六面体模型与轮胎进行布尔减操作，剔除两者相交部分，剩余的模型即为流体域模型，如图3所示。

步骤2，进一步地对轮胎、路面以及流体域模型赋予材料属性，进行网格划分和边界条件的定义，待轮胎充气、加载稳定后，水逐渐加速冲击轮胎，仿真中轮胎受力变形施加给流体，相应的流体产生的动压力作用给轮胎，从而模拟轮胎滑水流固耦合过程；

步骤2-1：轮胎、轮辋、路面材料参数如表1和表2所示，流体域的材料定义为水。

表1轮胎材料定义

表2轮辋和路面材料定义

步骤2-2：轮胎、路面模型采用多区域网格划分方法；流体域模型网格划分采用补片协调的四面体网格划分方法，其中尺寸大小函数为Curvature，相关中心为Fine，网格增长率为1.1，并在流体域流固耦合面处插入3mm局部尺寸控制进行网格细化。

步骤2-3：轮胎-路面接触算法为：

轮胎胎面作为接触面，路面作为目标面；

轮胎-路面接触类型为Frictional，摩擦系数为0.7；

轮胎-路面接触行为为Asymmetric，接触公式为Augmented Lagrange，界面处理为Adjust to Touch。

步骤2-4：轮胎-路面边界条件为：

路面为固定约束；

在轮胎内表面施加额定气压240kPa；

在轮辋处施加额定载荷4000N，并允许轮辋沿Y轴方向运动；

轮胎胎面为流固耦合面。

步骤2-5：流体域模型的边界条件定义有速度入口、压力出口以及壁面三种形式，如图4所示。

步骤2-6：轮胎充气、加载过程为：

首先，定义时间步长为0.01s，总时间为1.5s，求解类型为Iterative，打开大变形影响；

然后，在0至0.1s内在轮胎内表面充气加压至额定气压240kPa，并保持240kPa气压到1.5s；

最后，在0.1至0.4s内在轮辋处施加载荷至额定载荷4000N，并保持4000N载荷到1.5s，其中在0.4至0.5s内为轮胎充气、加载缓冲阶段。

步骤2-7：水流冲击轮胎过程为：

首先，定义时间步长为0.01s，总时间为1.5s，采用瞬态压力基求解器，施加重力加速；湍流模型采用Standard k-epsilon模型，近壁面采用Standard Wall Functions；动网格采用Smoothing和Remeshing共同作用方式，其中Smoothing采用Linearly ElasticSolid方式，Remeshing采用Local Face和Local Cell共同作用方式；压力速度耦合算法采用SIMPLE，梯度空间离散采用Green-Gauss Node Based，压力空间离散采用Body ForceWeighted，动量、湍流动能、湍流耗散率空间离散采用Second Order Upwind，瞬态方程采用Second order Implicit；

采用Hybrid Initialization对流体域进行初始化；

然后，在0至0.5s内速度入口处的水流速度为零，即流体域无水流流动，在0.5至1.06s内水流速度逐渐增加至28m/s，在1.06至1.5s内以28m/s匀速流动，仿真分析过程如图5所示。

步骤3，验证轮胎滑水流固耦合仿真方法的准确性。

步骤3-1：验证轮胎-路面接触模型的准确性：

待轮胎充气加载至0.5s稳定平衡后，测量得到轮胎-路面接触长为146mm、接触宽为152mm；

实验测试同型号的轮胎接触长为147mm、接触宽为161mm；

仿真与实验进行对比发现：轮胎-路面接触长的相对误差为0.68％，接触宽的相对误差为5.6％，说明仿真分析精度较高，由此验证了轮胎-路面接触模型的准确性。

步骤3-2：验证轮胎滑水速度的准确性：

待流体域流固耦合面处的动压力等于或大于轮胎所受载荷4000N时，将此刻水的流动速度定义为轮胎滑水速度，由图6可知，仿真分析得到的轮胎滑水速度为26.7m/s；

将仿真分析得到的滑水速度与Dunlap等人在1974年根据试验结果提出的滑水速度关系式进行比对，其中Dunlap等人提出的滑水速度关系式为：

式中，

V_p为滑水速度；

P为轮胎充气压力；

TD为胎面花纹深度(mm)；

WD为水膜厚度(mm)；

T为胎面宽度(mm)。

本实施例中，P＝240kPa，TD＝0mm，WD＝10mm，T＝205mm，代入Dunlap提出的滑水速度关系式中，得到滑水速度为27.3m/s，仿真分析得到的滑水速度与试验滑水速度相对误差为2.1％，由此说明轮胎滑水速度的准确性以及轮胎滑水流固耦合仿真分析方法的可靠性。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种轮胎滑水流固耦合仿真分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立轮胎和路面的力学模型：建立轮胎二维断面轮廓图，将轮胎、轮辋的轮廓线分别沿旋转轴旋转形成三维壳体模型，轮胎材料属性为各项异性；在胎面法线方向和距离胎面中心为预设范围的高度上建立路面壳体模型；

建立流体域模型具体为：根据轮胎的力学模型建立六面体模型，所述六面体模型底面与路面接触，所述六面体模型顶面与轮胎的力学模型相交，通过六面体模型与轮胎的力学模型进行布尔减操作，得到的剩余模型为流体域模型；

模拟轮胎滑水过程：模拟轮胎充气加载过程，通过Standard k-epsilon湍流模型计算流体运动，通过流体逐渐加速冲击轮胎模拟轮胎滑水流固耦合过程，得出轮胎滑水速度。

2.根据权利要求1所述的轮胎滑水流固耦合仿真分析方法，其特征在于，还包括网格划分和边界条件的定义；对轮胎、路面和流体域模型分别定义材料属性，定义轮胎-路面接触算法，对轮胎、路面和流体域模型分别网格划分和边界条件定义。

3.根据权利要求2所述的轮胎滑水流固耦合仿真分析方法，其特征在于，所述轮胎-路面接触算法为：所述轮胎胎面作为接触面，所述路面作为目标面；所述轮胎-路面接触定义为库伦摩擦模型，摩擦系数定义为真实的路面摩擦系数；在仿真过程中轮胎-路面间的距离始终维持在预设范围内；所述轮胎和路面边界条件为：所述路面为固定约束；在所述轮胎内表面施加额定气压；在所述轮胎的轮辋处施加额定载荷，并允许轮辋沿法向运动；轮胎胎面为流固耦合面；所述流体域模型网格划分采用补片协调的四面体网格划分。

4.根据权利要求2所述的轮胎滑水流固耦合仿真分析方法，其特征在于，所述流体域模型的边界条件定义具体为：在所述流体域模型上确定速度入口、压力出口和壁面，所述速度入口处定义流体的运动，流体的运动形式为：在所述轮胎充气、加载过程中流体流速度为零，待所述轮胎充气加载稳定后流体流逐渐加速并趋于稳定。

5.根据权利要求1所述的轮胎滑水流固耦合仿真分析方法，其特征在于，所述模拟轮胎充气加载过程具体为：定义时间步长、总时间以及求解类型；在所述轮胎内表面充气加压至额定气压，并保持所述额定气压至分析结束；在轮胎充气至额定气压时，在所述轮胎的轮辋处施加载荷至额定载荷，并保持所述额定载荷至分析结束。

6.根据权利要求1所述的轮胎滑水流固耦合仿真分析方法，其特征在于，轮胎滑水速度的计算方法为：待所述流体域模型与所述轮胎交接面处流体的动压力等于或大于轮胎所受载荷时，则此状态下流体的流动速度即为轮胎滑水速度。