CN110059364A - 一种轮胎空腔共振噪声仿真测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轮胎空腔共振噪声仿真测试方法，依据轮橡胶材料和轮胎结构进行有限元建模；基于有限元模型依次对轮胎进行二维充气、三维旋转、三维充气、加载、自由滚动、振动模态、动力学滚动仿真分析；选取自由滚动结果模型作为轮胎结构网格，依据结构网格环形内腔建立三维空气流体网格；选取振动模态和动力学滚动过程中的激励力作为轮胎结构激励源，激励轮胎结构振动与轮胎内部空气流体振动，从而发生轮胎空腔耦合共振；通过在轮胎空腔内部设置场点网格，获得轮胎空腔共振噪声声压。本发明可在仿真过程中充分考虑轮胎材料、轮胎结构、变形对轮胎空腔共振的影响，仿真结果更接近实际情况。

Description

一种轮胎空腔共振噪声仿真测试方法

技术领域

本发明涉及仿真试验方法，具体为轮胎空腔共振噪声仿真测试方法。

背景技术

最大限度的降低汽车在行驶过程中的交通噪声，是整个汽车行业面临的严峻挑战之一，交通噪声会极大地影响驾驶员、乘客以及行人的健康、严重的将会导致头疼、耳鸣等明显的不适。

交通噪声主要由发动机噪声、传动系噪声、轮胎噪声构成，且由于发动机、传动系噪声的降噪研究开展较早，因此发动机、传动系噪声已经得到有效的降低。随着新能源汽车的普及许多车辆已经取消发动机的使用，这就导致了轮胎噪在交通噪声中所占的比例日益升高。轮胎空腔共振噪声是轮胎噪声的重要贡献因素。

轮胎空腔共振噪声，指轮胎在滚动过程中轮胎结构与轮胎内部空气发生耦合共振产生的一种振动噪声。空腔共振噪声既可以通过车轴将振动传到驾驶室降低乘坐舒适性，又可以通过轮胎向外界传播增加交通噪声。现有分析轮胎空腔共振噪声的方法主要有：试验测试、数学模型推导。

上述现有技术，试验手段花费高、周期长且易受外界因素影响，数学模型推导手段对轮胎进行了较多的简化，且不能优先考虑轮胎结构及材料参数，以及忽略了轮胎内部空气振动对空腔共振的影响，导致分析精确度不高。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供一种轮胎空腔共振噪声仿真测试方法，用于解决现有技术通过试验测试轮胎空腔共振噪声花费高、周期长且易受外界因素影响，数学模型手段推导轮胎空腔共振噪声时对轮胎进行了较多的简化，且不能充分考虑轮胎结构与内部空气耦合振动的现象，导致分析精确度不高的问题。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种轮胎空腔共振噪声仿真测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过试验测试确定轮胎各结构材料属性，依据轮胎结构建立轮胎有限元模型，基于所建有限元模型依次进行二维充气、三维旋转、三维充气、加载、自由滚动、振动模态、动力学滚动仿真分析；

轮胎自由滚动反映了轮胎在滚动过程中的变形情况，提取自由滚动变形后的网格作为轮胎结构网格；依据轮胎结构网格的内部空腔形状，建立轮胎内部三维空气流体网格；

采用自由滚动轮胎的振动模态作为轮胎结构的振动信息；

选用轮胎动力学滚动过程中轮胎所受路面对轮胎的冲击力作为轮胎空腔共振模型的激励源；

基于轮胎结构网格、轮胎内部三维空气流体网格、振动信息和激励信息，将轮胎结构网格与三维空气流体网格的交界面进行耦合，建立轮胎空腔共振噪声仿真模型，对轮胎空腔共振噪声进行仿真分析，得出轮胎内腔的声压频谱曲线。

进一步地，轮胎二维充气、三维充气、加载均按照额定气压和额定载荷进行。

进一步地，轮胎滚动速度定义为70km/h。

进一步地，滚动状态为自由滚动。

进一步地，轮胎振动模态为轮胎自由滚动过程中轮胎结构的结构振动特征的仿真结果。

进一步地，依据轮胎结构网格内表面和轮辋表面形成的环形空腔，建立轮胎内部三维空气流体网格。

进一步地，轮胎动力学滚动时间至少是轮胎滚动3个周长的时间。

进一步地，激励信息为轮胎动力学滚动过程中所受路面对轮胎的冲击力。

进一步地，选用轮胎动力学滚动过程轮胎所受路面对其的冲击力作为轮胎激励源时，需要将动力学滚动过程中提取出的时域下的激励力，经过傅里叶变换转变为频域下的激励力作为轮胎空腔振动的激励源。

本发明所述的轮胎空腔共振噪声仿真测试方法，依据轮胎结构及其材料属性进行有限元建模，基于所建有限元模型依次进行二维充气、三维旋转、三维充气、加载、自由滚动、振动模态、动力学滚动仿真分析。在轮胎空腔共振噪声仿真过程中赋予其空气属性，以符合实际轮胎在发生空腔共振时的内部状态。本发明充分考虑轮胎材料属性、轮胎结构、滚动速度和内部空气的影响，提高轮胎空腔共振噪声仿真效率与精度的方法。

相比现有技术，本发明在分析轮胎空腔共振噪声的过程中既避免了试验方法耗时长、成本高、易受环境因素的缺点，又克服了数学模型不能充分考虑轮胎结构、材料、变形对空腔共振噪声的影响，计算速度快、精度高，可在轮胎设计初期就对轮胎的空腔共振噪声性能进行评估。

附图说明

图1为本发明所述轮胎空腔共振噪声仿真测试方法的声学仿真模型组成示意图。

图2为本发明所述轮胎空腔共振噪声仿真测试方法的流程示意图。

图3为本发明所述轮胎空腔共振噪声仿真测试方法的结构网格示意图。

图4为本发明所述轮胎空腔共振噪声仿真测试方法的空气流体网格示意图。

图5为本发明所述轮胎空腔共振噪声仿真测试方法的空腔内场点网格位置示意图。

图6为时域下的路面对轮胎冲击力。

图7为频域下的路面对轮胎冲击力。

图8为本发明所述轮胎空腔共振噪声仿真测试方法的声压频谱曲线示意图。

图中：1-轮胎，2-轮辋。

具体实施方式

为更加清楚地表述本申请的目的、技术方案和优点，下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明。显然地，以下描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有进行创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明所述的轮胎空腔共振噪声仿真测试方法，依据轮胎结构及其材料属性进行有限元建模，基于所建有限元模型依次进行二维充气、三维旋转、三维充气、加载、自由滚动、振动模态、动力学滚动仿真分析。

首先，通过试验测试确定轮胎各结构材料属性，依据轮胎结构建立轮胎有限元模型，基于所建有限元模型依次进行二维充气、三维旋转、三维充气、加载、自由滚动、振动模态、动力学滚动仿真分析。轮胎的二维建模基于Hypermesh软件，轮胎的二维充气、三维旋转、三维充气、加载、自由滚动、振动模态、动力学滚动仿真分析是基于ABAQUS有限元分析软件。

轮胎自由滚动反映了轮胎在滚动过程中的变形情况，选取所述轮胎自由滚动分析结束时生成的模型文件，提取自由滚动变形后的模型文件的网格作为轮胎结构网格；依据轮胎结构网格的内部空腔形状，提取轮胎结构网格的内侧表面为上轮廓面，轮辋截图为下轮廓面；依据上轮廓面和下轮廓面封闭的三维环形空腔，建立轮胎内部三维空气流体网格；变形后的自由滚动轮胎状态的空气流体网格建立是基于Hypermesh软件。

在对轮胎进行动力学滚动动力学滚动过程分析，滚动时间至少是轮胎周长的三倍除以滚动速度，换句话说，滚动时间至少为3个周长的时间。

选择轮胎自由滚动过程中的轮胎振动模态，将其作为轮胎结构网格的振动信息输入源，用来反映轮胎结构在实际滚动过程中的振动特性。

选用轮胎动力学滚动过程中轮胎所受路面对轮胎的冲击力作为轮胎空腔共振模型的激励源；在生成的动力学轮胎滚动模型文件中，提出轮胎在动力学滚动过程中所受的路面给予的时域下的激励力信息，利用傅里叶变换的方法将时域下的激励力变换为频域下的激励力。

选取轮胎结构网格，在轮胎结构网格接地区域中心点定义为路面频域激励力的输入点。

将动力学滚动仿真分析过程中经傅里叶变换后得到的频域下的力与轮胎结构网格接地区域中心点处力的输入点相关联，即通过该点将轮胎在动力学滚动过程中所受到的路面冲击力信息输入到轮胎空腔共振模型中，作为外在激励源。

轮胎结构网格与轮胎三维空腔网格之间的振动关系定义为耦合共振，将轮胎结构与轮胎空腔之间的接触面定义为耦合面。对轮胎考虑振动模态的结构网格与考虑空腔模态的声学网格进行耦合共振分析，耦合共振是通过将轮胎结构网格的轮廓面与轮胎环形内腔的空气流体网格的外表面作为耦合共振面实现的。轮胎结构与空气流体网格的耦合共振分析基于LMS Virtual.Lab声学仿真计算软件。

基于轮胎结构网格、轮胎内部三维空气流体网格、振动信息和激励信息，将轮胎结构网格与三维空气流体网格的交界面进行耦合，建立轮胎空腔共振噪声仿真模型，对轮胎空腔共振噪声进行仿真分析。

由于轮胎内腔结构为圆环形，为反映在外在激励作用下，轮胎空腔共振特性，选取轮胎横向中心面、纵向中心面与轮胎内部腔体的环形中心线的四个交点，作为轮胎声压场点网格。通过声压场点网格获取轮胎内部空腔的声压频谱曲线，从而获得不同位置处的轮胎空腔共振噪声。

依据所输入的激励力、轮胎空腔的属性对轮胎空腔进行声学模态分析，获得轮胎空腔共振的声学模态和声压值。

下面以275/70R22.5型号载重子午线轮胎为例进行轮胎空腔共振噪声仿真计算，对本发明的实施例作进一步具体说明。

轮胎空腔共振噪声仿真计算需要协同使用Hypermesh、ABAQUS、LMS Virtual.Lab三款软件实现。具体的计算流程图如图1所示。首先，在Hypermesh软件中，依据轮胎结构建立轮胎有限元二维模型；其次，在ABAQUS分析过程中依次进行二维充气、三维旋转、三维充气、加载、自由滚动、振动模态、动力学滚动仿真分析；然后，将自由滚动分析生成的模型文件导入到Hypermesh软件中，建立轮胎环形内腔的空气流体网格；最后，在LMS Virtual.Lab中建立子午线轮胎空腔共振噪声仿真计算模型，并依据ABAQUS提供的模态信息和激励力信息，进行轮胎结构与空腔气体耦合的共振计算，得出轮胎内腔的声压频谱曲线。

具体按照以下步骤进行，如图2所示：

步骤1：依据轮胎结构和材料分布图，在Hypermesh中建立轮胎二维模型，并以INP格式文件导出；

步骤2：将二维模型导入INP格式文件导入到ABAQUS软件中，利用ABAQUS进行二维充气、三维旋转、三维充气、加载、自由滚动、振动模态、动力学滚动仿真分析；基于ABAQUS分析得到轮胎空腔共振噪声仿真计算所需要的轮胎结构网格、振动模态、轮胎动力学滚动过程中所受到的路面给与轮胎的激励力。

步骤3：轮胎空腔共振仿真模型由轮胎结构网格、空气流体网格、场点网格构成，如图1所示。轮胎结构网格为轮胎自由滚动分析生成的模型文件，提取该模型文件中变形后的网格作为轮胎结构网格，该结构网格用以反映滚动时轮胎结构变形和腔体轮廓形状，轮胎结构网格如图3所示。轮胎内腔为轮胎1结构与轮辋2之间构成的环形腔体，环形空腔内的空气在充气后可以维持轮胎正常使用过程中承载作用，轮胎内部三维空气流体网格如图4所示。轮胎场点网格是用来输出某一特定位置的声压频谱曲线的可根据需要在不同位置予以设置，图5所示为声压场点位置示意图，图5中的黑点即为本次分析过程中场点位置，从图5可以看出本次仿真计算过程中场点的位置为轮胎横向中心面、纵向中心面与轮胎内部腔体的环形中心线的四个交点。

步骤4：建立轮胎空腔共振噪声仿真计算模型。

进入LMS Virtual.Lab所提供的声学有限元仿真分析模块。

将轮胎的结构网格、空气流体网格、场点网格、振动模态依次导入声学有限元分析界面，赋予空气流体网格对应的空气材料属性，且将轮胎结构网格与振动模态相关联。

在轮胎结构网格接地区域中心点作为轮胎所受激励力的输入点，激励力输入点位置及方向，如图5中的F所示，将动力学滚动仿真分析过程中得到的时域下路面冲击力，如图6所示，经傅里叶变换后得到的频域下的力。如图7所示，与轮胎结构网格接地区域中心点处力的输入点相关联，即通过该点将轮胎在动力学滚动过程中所受到的路面冲击力信息输入到轮胎空腔共振模型中，作为外在激励源。

计算轮胎环形内腔的空腔模态，并将计算得到的轮胎空腔模态与轮胎振动模态相关联，对轮胎考虑振动模态的结构网格与考虑空腔模态的声学网格进行耦合共振分析，进行轮胎空腔与轮胎结构耦合共振噪声仿真计算，

轮胎空腔共振分析得到的声压值通过图5中的四个场点网格进行输出。图8为图5中上部场点网格输出的声压频谱曲线，它反映了由轮胎空腔共振发生时在该点的声压值。

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 (9)

1.一种轮胎空腔共振噪声仿真测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过试验测试确定轮胎各结构材料属性，依据轮胎结构建立轮胎有限元模型，基于所建有限元模型依次进行二维充气、三维旋转、三维充气、加载、自由滚动、振动模态、动力学滚动仿真分析；

轮胎自由滚动反映了轮胎在滚动过程中的变形情况，提取自由滚动变形后的网格作为轮胎结构网格；依据轮胎结构网格的内部空腔形状，建立轮胎内部三维空气流体网格；

采用自由滚动轮胎的振动模态作为轮胎结构的振动信息；

选用轮胎动力学滚动过程中轮胎所受路面对轮胎的冲击力作为轮胎空腔共振模型的激励源；

基于轮胎结构网格、轮胎内部三维空气流体网格、振动信息和激励信息，将轮胎结构网格与三维空气流体网格的交界面进行耦合，建立轮胎空腔共振噪声仿真模型，对轮胎空腔共振噪声进行仿真分析，得出轮胎内腔的声压频谱曲线。

2.根据权利要求1所述的轮胎空腔共振噪声仿真测试方法，其特征在于：轮胎二维充气、三维充气、加载均按照额定气压和额定载荷进行。

3.根据权利要求1所述的轮胎空腔共振噪声仿真测试方法，其特征在于：轮胎滚动速度定义为70km/h。

4.根据权利要求1所述的轮胎空腔共振噪声仿真测试方法，其特征在于：滚动状态为自由滚动。

5.根据权利要求1所述的轮胎空腔共振噪声仿真测试方法，其特征在于：轮胎振动模态为轮胎自由滚动过程中轮胎结构的结构振动特征的仿真结果。

6.根据权利要求1所述的轮胎空腔共振噪声仿真测试方法，其特征在于：依据轮胎结构网格内表面和轮辋表面形成的环形空腔，建立轮胎内部三维空气流体网格。

7.根据权利要求1所述的轮胎空腔共振噪声仿真测试方法，其特征在于：轮胎动力学滚动时间至少是轮胎滚动3个周长的时间。

8.根据权利要求7所述的轮胎空腔共振噪声仿真测试方法，其特征在于：激励信息为轮胎动力学滚动过程中所受路面对轮胎的冲击力。

9.根据权利要求8所述的轮胎空腔共振噪声仿真测试方法，其特征在于：选用轮胎动力学滚动过程轮胎所受路面对其的冲击力作为轮胎激励源时，需要将动力学滚动过程中提取出的时域下的激励力，经过傅里叶变换转变为频域下的激励力作为轮胎空腔振动的激励源。