CN111624004B - 一种子午线轮胎刹车距离的快速预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种子午线轮胎刹车距离的快速预测方法，通过有限元仿真的方法快速、准确地获得轮胎的刹车距离性能参数，耗时仅需48小时，效率明显提升，成本大大低于制作轮胎成本及路试成本，可广泛用于替代轮胎刹车距离的实车测试。
Description
技术领域
本发明属于轮胎工业技术领域，涉及一种子午线轮胎刹车距离的快速预测方法。
背景技术
子午线轮胎的刹车距离关系到车辆的操纵稳定性和行驶安全性，是轮胎制造厂和车辆制造厂必须获得的关键性能指标。由于轮胎结构十分复杂，导致很难利用理论方法预测轮胎的刹车距离，一般采用实车测试方法来获得这一指标。然而，对轮胎刹车距离的实车测试需要经过轮胎制造、轮胎安装、实车路试和距离测量等复杂过程，不仅消耗大量的人力和物力，同时整个过程周期较长，严重降低轮胎开发效率，并且测试结果容易受驾驶员反应速度和路面结构的影响，导致测试结果的重现性和准确度较差。因此，需要提供一种低成本、高效率、高可靠度和高准确度的轮胎刹车距离快速预测方法，实现更准确的获得轮胎刹车距离性能参数，提高轮胎开发效率，降低成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，即由于轮胎结构十分复杂，导致很难利用理论方法预测轮胎的刹车距离，一般采用实车测试方法来获得这一指标，对轮胎刹车距离的实车测试需要经过轮胎制造、轮胎安装、实车路试和距离测量等复杂过程，不仅消耗大量的人力和物力，同时整个过程周期较长，严重降低轮胎开发效率，并且测试结果容易受驾驶员反应速度和路面结构的影响，导致测试结果的重现性和准确度较差的缺点。本发明旨在提供一种子午线轮胎刹车距离快速预测方法，通过有限元仿真的方法能有效的解决这一问题，可快速、准确地获得轮胎的刹车距离性能参数。
为解决上述问题，本发明具体采用如下技术方案：
一种子午线轮胎刹车距离的快速预测方法，其步骤为：
第一步：二维轮胎轴对称充气分析：
对轮胎设计图划分网格；
根据轮胎实际材料测试性能曲线为每个橡胶材料单元和胎体增强材料分配材料属性和密度；
导入轮辋，并为轮辋建立参考点，约束轮辋参考点的所有自由度；
通过给轮胎左侧钢丝圈中心点施加向上和向右位移，给右侧钢丝圈中心点施加向上和向左位移，进行胎圈收缩；
设置胎圈部位外表面与轮辋的接触属性，即摩擦系数值，设置内衬层内表面为施加充气载荷作用面；
给轮胎内部充以实际气压p，方向垂直于内衬层内表面单元；利用有限元程序进行二维轮胎充气分析，在气压作用下胎圈外表面与轮辋接触，轮胎整体发生变形，以此获得包含变形和受力状态的轮胎充气后状态；
第二步：对轮胎进行三维负载分析：
将第一步充气后的二维仿真模型扫略360度形成三维轮胎仿真模型，建立二维平直刚体模型作为路面，并为路面设置参考点，设置轮胎胎面表面与路面的接触属性摩擦系数；给路面参考点施加实际承载的载荷F，利用有限单元程序分析轮胎在载荷作用下产生的变形；
第三步：轮胎稳态滚动分析：
在第二步的基础之上，将第二步中负载之后轮胎的所有单元给定沿x方向的直线速度Vx和绕轮胎中心对称轴的滚动角速度W，并对轮辋参考点施加与上述相同的x方向的直线速度Vx和绕轮胎中心对称轴的滚动角速度W；利用有限单元程序分析轮胎稳态滚动状态；
第四步：轮胎刹车过程模拟：
将第三步的计算结果作为预定义场传递到有限元计算程序中，重新建立刚性轮辋，并重新建立轮辋与胎圈的接触摩擦属性，即摩擦系数；重新建立路面，路面长度为轮胎直径的n(n>50)倍，并设置胎冠表面与路面的摩擦系数；释放轮辋的x方向和z方向和绕轮胎中心轴的旋转方向的自由度；对轮胎轮辋参考点施加与第二步相同的载荷F，对轮胎内衬层表面重新充与第一步相同的气压p，根据实际轮辋情况对轮辋参考点设定质量和转动惯量；对轮辋参考点和整个轮胎施加沿x方向的速度Vx和绕轮胎中心对称轴的角速度W初始边界条件，对轮辋参考点施加与滚动角速度W相反方向的刹车力矩；然后提取轮胎的滑移率；最后，提取整个计算过程的轮辋参考点的x方向位移值，即为刹车距离。
所述网格划分划分为四边形单元或三角形单元。其中带束层、胎体和其他增强材料部件(钢包、包布和冠带层)为四边形单元。
所述第一步中，所有单元设置为轴对称属性。
所述第一步、第二步和第三步中，有限单元程序采用隐式有限单元程序。所述第四步中，有限元计算程序为显式有限元计算程序。
所述第四步中，刹车力矩的设定方法为：在计算开始时刹车力矩为M0＝F*u*R，R为轮胎的滚动半径，u为轮胎与路面的摩擦系数。滑移率计算方法为k＝(Vx-R*W)/Vx。
本发明还要求保护上述子午线轮胎刹车距离的快速预测方法的用途，用于替代轮胎刹车距离的实车测试。
本发明的更具体的技术方案如下。
一种子午线轮胎刹车距离的快速预测方法，其步骤为：
第一步：二维轮胎轴对称充气分析：对轮胎设计图划分网格，划分为四边形单元或三角形单元，其中带束层、胎体和其他增强材料部件为四边形单元，且使用二维骨架材料单元来表示增强材料的增强作用；根据轮胎实际材料测试性能曲线为每个橡胶材料单元和胎体增强材料分配材料属性和密度；所有单元必须设置为轴对称属性；导入轮辋，并为轮辋建立参考点，约束轮辋参考点的所有自由度；通过给轮胎左侧钢丝圈中心点施加向上和向右位移，给右侧钢丝圈中心点施加向上和向左位移，进行胎圈收缩；设置胎圈部位外表面与轮辋的接触属性，即摩擦系数值，设置内衬层内表面为施加充气载荷作用面；给轮胎内部充以实际气压p，方向垂直于内衬层内表面单元。利用隐式有限元程序进行二维轮胎充气分析，在气压作用下胎圈外表面与轮辋接触，轮胎整体发生变形，以此获得包含变形和受力状态的轮胎充气后状态；
第二步：对轮胎进行三维负载分析：将第一步充气后的二维仿真模型扫略360度形成三维轮胎仿真模型，建立二维平直刚体模型作为路面(在x-y平面)，并为路面设置参考点，路面模型的长度为轮胎直径的0.5倍，宽度较轮胎行驶面宽度宽30mm，并设置轮胎胎面表面与路面的接触属性摩擦系数。将路面模型放于轮胎模型正下方，与轮胎表面距离为1mm，使轮胎中心线与路面中心线对齐，将轮胎轮辋固定，只保留路面的z向自由度，给路面参考点施加实际承载的载荷F，方向朝向轮胎一侧，使路面与轮胎接触，利用隐式有限单元程序分析轮胎在载荷作用下产生的变形；
第三步：轮胎稳态滚动分析：在第二步的基础之上，将第二步中负载之后轮胎的所有单元给定沿x方向的直线速度Vx和绕轮胎中心对称轴的滚动角速度W，并对轮辋参考点施加与上述相同的x方向的直线速度Vx和绕轮胎中心对称轴的滚动角速度W。直线速度Vx和滚动角速度W要互相匹配，匹配原则为最终实现轮胎与路面之间的沿x方向的摩擦力小于10N，利用隐式有限单元程序分析轮胎稳态滚动状态；
第四步：轮胎刹车过程模拟：将第三步的计算结果作为预定义场传递到显式有限元计算程序中，重新建立刚性轮辋，并重新建立轮辋与胎圈的接触摩擦属性，即摩擦系数。重新建立路面，此时将路面固定，路面距轮胎中心轴的距离为上一步中轮胎中心轴到路面的距离，路面长度为轮胎直径的n(n>50)倍，保证整个过程中轮胎一直在路面行驶，并设置胎冠表面与路面的摩擦系数。释放轮辋的x方向和z方向和绕轮胎中心轴的旋转方向的自由度。对轮胎轮辋参考点施加与第二步相同的载荷F，方向朝向路面，对轮胎内衬层表面重新充与第一步相同的气压p，根据实际轮辋情况对轮辋参考点设定质量和转动惯量。对轮辋参考点和整个轮胎施加沿x方向的速度Vx和绕轮胎中心对称轴的角速度W初始边界条件，对轮辋参考点施加与滚动角速度W相反方向的刹车力矩，刹车力矩的设定方法为：在计算开始时刹车力矩为M0＝F*u*R，R为轮胎的滚动半径(即轮胎中心对称轴到路面的垂直距离)，u位轮胎与路面的摩擦系数，然后提取轮胎的滑移率，滑移率计算方法为k＝(Vx-R*W)/Vx，当k大于0.2时，减小刹车力矩，减小量为初始刹车力矩M0的1％，再计算k，如此循环直至k小于0.2，当k小于0.1时，增大刹车力矩，增大量为初始刹车力矩M0的1％，再计算k，直至k大于0.1，如此循环始终使轮胎的滑移率k值介于0.1和0.2之间，此时轮胎的刹车力和操控力同时最佳，如果滑移率大于0.2则难以控制轮胎方向，将发生较大滑动，如果滑移率小于0.1则刹车力不足，将增大刹车距离。整个刹车力矩的施加过程利用二次开发程序实现，直至轮胎的速度V达到0，计算结束。此步中计算的最大时间增量为0.0001秒，这样可完整获得整个刹车过程的刹车力矩和轮胎速度曲线。最后，提取整个计算过程的轮辋参考点的x方向位移值，即为刹车距离。
通过以上步骤，可准确快速的预测轮胎的刹车距离。
附图说明
图1轮胎材料分布图及轮胎定位；
图2轮胎材料分布图网格及各部件名称；
图3轮胎行驶面宽和胎圈外表面；
图4轮胎充气后构型图；
图5三维轮胎构型示意图、坐标系和载荷方向；
图6路面尺寸及轮胎轮辋Y轴视图；
图7轮胎与轮辋组合体的三视图；
图8三维负载分析后轮胎变形示意图；
图9稳态滚动分析中轮胎施加的速度和角速度示意图；
图10稳态滚动分析完成后轮胎受力示意图；
图11轮胎刹车分析的轮胎和路面模型；
图12轮胎刹车分析时边界条件示意图；
图13轮胎刹车分析过程中刹车力矩变化示意图；
图14轮胎刹车分析过程中轮辋参考点Vx变化示意图。
具体实施方式
下面将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，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
以235/75R17.5轮胎作为本实施例，根据本发明的实施步骤：
第一步：二维轮胎轴对称充气分析：轮胎设计图如图1，轮胎半径为396mm，对其划分网格，划分为四边形单元或三角形单元，其中带束层、胎体和其他增强材料部件为四边形单元，且使用二维骨架材料单元来表示增强材料的增强作用(如图2)；根据轮胎实际材料测试性能曲线为每个橡胶材料单元和胎体增强材料分配材料属性和密度，如表1；所有单元必须设置为轴对称属性，橡胶材料属性为考虑扭转的四节点轴对称缩减积分单元CGAX4R，增强材料为轴对称Rebar单元sfmgax1；导入轮辋，并为轮辋建立参考点，轮辋参考点坐标为(0,0,0)，约束轮辋参考点的所有自由度，即固定轮辋；给轮胎左侧钢丝圈中心点(如图2)施加向上的位移为1mm和向右位移为12mm，给右侧钢丝圈中心点(如图2)施加向上的位移为1mm和向左的位移为12mm，使胎圈收缩至轮辋内部(如图3)；设置胎圈部位外表面(如图3)与轮辋的摩擦系数位0.7，设置内衬层内表面(如图2)为施加充气载荷作用面，给轮胎内部充以实际气压p为0.35MPa，方向垂直于内衬层内表面单元(如图4)。利用Abaqus分析系统进行二维轮胎充气分析，在气压作用下胎圈外表面与轮辋接触，轮胎整体发生变形，以此获得包含变形和受力状态的轮胎充气后状态(如图4)。
表1轮胎各部件材料属性
第二步：对轮胎进行三维负载分析：将第一步充气后的二维仿真模型扫略360度形成三维轮胎仿真模型，建立二维平直刚体模型作为路面(在x-y平面)(如图5)，并为路面设置参考点坐标为(0，0，-397)，路面模型的长度为轮胎直径的0.5倍即198mm，轮胎的行驶面宽(如图3)为196mm，路面宽度较轮胎行驶面宽度大30mm即226mm(如图6)，并设置轮胎胎面表面与路面的接触属性摩擦系数为0.75。将路面模型放于轮胎模型正下方，与轮胎表面距离为1mm，使轮胎中心线与路面中心线对齐，将轮胎轮辋固定，只保留路面的z向自由度(如图7)。给路面参考点施加实际承载的载荷F为15250N，方向朝向轮胎一侧，使路面与轮胎接触，利用Abaqus隐式程序分析轮胎在载荷作用下产生的变形(如图8)，此时路面产生沿z向的25mm位移，即轮胎中心轴(y轴)距路面的沿z轴距离为371mm。
第三步：轮胎稳态滚动分析：在第二步的基础之上，将第二步中负载之后轮胎的所有单元给定沿x方向的直线速度Vx为18.6m/s和绕轮胎中心对称轴的滚动角速度W为43.527rad/s(如图9)，并对轮辋参考点施加与上述相同的x方向的直线速度Vx为18.6m/s和绕轮胎中心对称轴的滚动角速度W为43.527rad/s，此时直线速度Vx和滚动角速度W互相匹配，轮胎与路面之间的沿x方向的摩擦力位0.5N，小于10N，利用Abaqus隐式程序分析轮胎稳态滚动状态(如图10)。
第四步：轮胎刹车过程模拟：将第三步的计算结果传递到Abaqus软件系统的显式计算程序中，重新建立与第一步中截面相同的三维刚性轮辋，并设置轮辋与胎圈外表面的摩擦系数位0.7。重新建立路面，此时将路面固定，路面距轮胎中心轴(即y轴)的距离为上一步中轮胎中心轴到路面的距离，即371mm，路面长度为轮胎直径的60倍，即396mm*2*60＝47520mm，此时能保证整个过程中轮胎一直在路面行驶(如图11)，重新设置轮胎胎冠表面(如图2)与路面的摩擦系数为0.7。释放轮辋的x方向和z方向和绕轮胎中心轴的旋转方向的自由度。对轮胎轮辋参考点施加与第二步相同的载荷即15250N，方向朝向路面，对轮胎内衬层表面重新充与第一步相同的气压p即0.35MPa，根据实际轮辋情况对轮辋参考点设定质量为10000克和绕x、y和z轴转动惯量分别为40kg·m2、100kg·m2和40kg·m2。对轮辋参考点和整个轮胎施加沿x方向的速度Vx与第三步中相同为18.6m/s，绕轮胎中心对称轴的角速度W也与第三步中相同为43.527rad/s，对轮辋参考点施加与滚动角速度W相反方向的刹车力矩(如图12)，刹车力矩的设定方法为：在计算开始时刹车力矩为M0＝F*u*R＝15250N*0.7*0.371m＝3960.4N·m，R为轮胎的滚动半径(即轮胎中心对称轴到路面的垂直距离)即371mm，u位轮胎与路面的摩擦系数0.7。然后提取轮胎的滑移率，滑移率计算方法为k＝(Vx-R*W)/Vx，当k大于0.2时，减小刹车力矩，减小量为初始刹车力矩M0的1％即39.6N·m，再计算k，如此循环直至k小于0.2，当k小于0.1时，增大刹车力矩，增大量为初始刹车力矩M0的1％即39.6N·m，再计算k，直至k大于0.1，如此循环始终使轮胎的滑移率k值介于0.1和0.2之间，此时轮胎的刹车力和操控力同时最佳，如果滑移率大于0.2则难以控制轮胎方向，将发生较大滑动，如果滑移率小于0.1则刹车力不足，将增大刹车距离。整个刹车力矩的施加过程利用幅值曲线二次开发程序实现，直至轮胎的速度V达到0，计算结束。此步中计算的最大时间增量为0.0001秒，整个计算时间为5秒。这样可完整获得整个刹车过程的刹车力矩曲线(如图13)和轮胎速度曲线(如图14)。最后，提取整个计算过程的轮辋参考点的x方向位移值为10.6m，即刹车距离为10.6m。
利用本发明方法获得轮胎的刹车距离仅需约计算48小时，而制造轮胎并进行测试则需要至少15天，效率明显提升。此轮胎实测刹车距离为12.8米，本发明计算结果与实测结果差别较小，证明了本专利方法的有效性。利用本发明方法预测轮胎的刹车距离成本为2小时建模时间成本及48小时计算机电费约20元，大大低于制作轮胎成本约600元及路试成本约1000元。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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本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 (4)
1.一种子午线轮胎刹车距离的快速预测方法，其步骤为：
第一步：二维轮胎轴对称充气分析：对轮胎设计图划分网格，且使用二维骨架材料单元来表示增强材料的增强作用；根据轮胎实际材料测试性能曲线为每个橡胶材料单元和胎体增强材料分配材料属性和密度；所有单元必须设置为轴对称属性；导入轮辋，并为轮辋建立参考点，约束轮辋参考点的所有自由度；通过给轮胎左侧钢丝圈中心点施加向上和向右位移，给右侧钢丝圈中心点施加向上和向左位移，进行胎圈收缩；设置胎圈部位外表面与轮辋的接触属性，即摩擦系数值，设置内衬层内表面为施加充气载荷作用面；给轮胎内部充以实际气压p，方向垂直于内衬层内表面单元，利用隐式有限元程序进行二维轮胎充气分析，在气压作用下胎圈外表面与轮辋接触，轮胎整体发生变形，以此获得包含变形和受力状态的轮胎充气后状态；
第二步：对轮胎进行三维负载分析：将第一步充气后的二维仿真模型扫略360度形成三维轮胎仿真模型，建立二维平直刚体模型作为路面，并为路面设置参考点，路面模型的长度为轮胎直径的0.5倍，宽度较轮胎行驶面宽度宽30mm，并设置轮胎胎面表面与路面的接触属性摩擦系数；将路面模型放于轮胎模型正下方，与轮胎表面距离为1mm，使轮胎中心线与路面中心线对齐，将轮胎轮辋固定，只保留路面的z向自由度，给路面参考点施加实际承载的载荷F，方向朝向轮胎一侧，使路面与轮胎接触，利用隐式有限单元程序分析轮胎在载荷作用下产生的变形；
第三步：轮胎稳态滚动分析：在第二步的基础之上，将第二步中负载之后轮胎的所有单元给定沿x方向的直线速度V x 和绕轮胎中心对称轴的滚动角速度W，并对轮辋参考点施加与以上相同的x方向的直线速度V x 和绕轮胎中心对称轴的滚动角速度W；直线速度V x 和滚动角速度W要互相匹配，匹配原则为最终实现轮胎与路面之间的沿x方向的摩擦力小于10N，利用隐式有限单元程序分析轮胎稳态滚动状态；
第四步：轮胎刹车过程模拟：将第三步的计算结果作为预定义场传递到显式有限元计算程序中，重新建立刚性轮辋，并重新建立轮辋与胎圈的接触摩擦属性，即摩擦系数；重新建立路面，此时将路面固定，路面距轮胎中心轴的距离为上一步中轮胎中心轴到路面的距离，路面长度为轮胎直径的n倍，且n>50，保证整个过程中轮胎一直在路面行驶，并设置胎冠表面与路面的摩擦系数；释放轮辋的x方向和z方向和绕轮胎中心轴的旋转方向的自由度；对轮胎轮辋参考点施加与第二步相同的载荷F，方向朝向路面，对轮胎内衬层表面重新充与第一步相同的气压p，根据实际轮辋情况对轮辋参考点设定质量和转动惯量；对轮辋参考点和整个轮胎施加沿x方向的速度V x 和绕轮胎中心对称轴的角速度W初始边界条件，对轮辋参考点施加与滚动角速度W相反方向的刹车力矩，刹车力矩的设定方法为：在计算开始时刹车力矩为M 0 =F*u*R，R为轮胎的滚动半径，u为轮胎与路面的摩擦系数，然后提取轮胎的滑移率，滑移率计算方法为k=(V x -R*W)/V x ，当k大于0.2时，减小刹车力矩，减小量为初始刹车力矩M 0 的1%，再计算k，如此循环直至k小于0.2，当k小于0.1时，增大刹车力矩，增大量为初始刹车力矩M 0 的1%，再计算k，直至k大于0.1，如此循环始终使轮胎的滑移率k值介于0.1和0.2之间，此时轮胎的刹车力和操控力同时最佳，如果滑移率大于0.2则难以控制轮胎方向，将发生较大滑动，如果滑移率小于0.1则刹车力不足，将增大刹车距离；整个刹车力矩的施加过程利用二次开发程序实现，直至轮胎的速度V达到0，计算结束；此步中计算的最大时间增量为0.0001秒，这样能完整获得整个刹车过程的刹车力矩和轮胎速度曲线；最后，提取整个计算过程的轮辋参考点的x方向位移值，即为刹车距离。
2.根据权利要求1所述的一种子午线轮胎刹车距离的快速预测方法，其特征在于，所述网格划分为四边形单元或三角形单元。
3.根据权利要求2所述的一种子午线轮胎刹车距离的快速预测方法，其特征在于，其中带束层、胎体和其他增强材料部件为四边形单元。
4.权利要求1-3任一项所述的一种子午线轮胎刹车距离的快速预测方法的用途，用于替代轮胎刹车距离的实车测试。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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