CN115422806A - 一种轮刚性仿真方法、应用、设备和计算机程序产品 - Google Patents

一种轮刚性仿真方法、应用、设备和计算机程序产品 Download PDF

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Abstract

本发明涉及轮仿真设计技术领域，尤其涉及一种轮刚性仿真方法、应用、设备和计算机程序产品。本发明提供了一种轮胎刚性仿真方法，该方法包括选定基准胎、对基准胎进行材料分布图绘制、有限元前处理、二维充气和三维加载建模分析、刚性仿真建模分析，并将刚性仿真结果与基准胎实测结果进行对标，校准刚性仿真模型，达到高精度和高效率仿真轮胎刚性的目的。

Description

一种轮刚性仿真方法、应用、设备和计算机程序产品
技术领域
本发明涉及轮仿真设计技术领域，尤其涉及一种轮刚性仿真方法、应用、设备和计算机程序产品。
背景技术
轮胎刚性对整车的驱动制动、转向等操控性能有着非常重要的影响，轮胎刚性测试或仿真数据也是进行六分力建模的重要参数之一。在当前企业数字化转型的大背景下，随着国内各大轮胎企业研发、制造技术水平的提高，轮胎配套从中低端逐步向高端配套迈进，“虚拟送样”是实现高端配套的必然要求，各大轮胎企业都对此进行大力投入，轮胎刚性仿真是“虚拟送样”重要组成部分。由于轮胎与地面相互作用时，摩擦机理相当复杂，轮胎与地面之间的摩擦与负荷、滑移速度、温度、胎面材料特性和地面状态等诸多参数相关，因此难以用精确的模型来描述轮胎与地面之间的摩擦特性，限制了刚性仿真模型精度，从而仿真精度难以达到要求。目前未见有较好地解决轮胎刚性仿真中摩擦问题的轮胎刚性仿真方法。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种轮刚性仿真方法，应用该方法进行轮胎刚性仿真分析，可以通过将仿真结果与实测结果进行对标，调整刚性仿真模型，达到高精度和高效率仿真轮胎刚性的目的。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种轮刚性仿真方法，该方法包括以下的步骤：1)选定基准胎；2)基准胎加载分析建模；3)基准胎刚性仿真建模；所述步骤3)基准胎刚性仿真建模包括以下的步骤：
3.1)赋予初始轮胎与路面之间的摩擦系数μ0
根据基准胎实测结果，纵向或横向刚性仿真计算模型参数中的轮胎与路面摩擦系数μ0＝最大纵向力或最大横向力/测试负荷，对于扭转刚性，赋予一个初始摩擦系数μ0＝0.5；
3.2)赋予初始轮胎与路面之间的的γi0或Ff0参数
在刚性仿真模型中采用定义轮胎与路面滑移的参数elastic slip或sliptolerance，elastic slip用γi表示，slip tolerance用Ff表示，赋予一个初始的elasticslip参数为γi0，slip tolerance参数为Ff0；
3.3)刚性仿真分析步设定
将轮辋固定及施加的载荷固定，通过移动路面或旋转路面计算得到路面反力或反力矩，根据实测结果，假设刚性曲线中用于计算的位移或旋转角度区间为[a，b]，路面最大位移或旋转角度为L，则对刚性计算分三步实现，第一步路面位移或旋转角度为[0，a*0.8]，第二步路面位移或旋转角度为[a*0.8，b*1.2]，第三步路面位移或旋转角度为[b*1.2，L]，其中纵向或横向为长度单位mm，扭转刚度单位为角度单位rad，第二步中设置最大增量步长和最大增量步数，从而计算得到更多的点，满足精度要求；
3.4)确定轮胎与路面之间的摩擦系数μ
如果计算得到最大的路面反力或反力矩大于实测结果，则修改摩擦系数为μ，其中μ＜μ0，否则取μ＞μ0，如果摩擦系数为μ时仿真结果与实测更接近，则将μ作为新的基准值，即μ0＝μ，调整μ值直到满足精度要求，从而最终确定摩擦系数μ；
3.5)确定轮胎与路面之间的γi或Ff参数
如果刚性计算结果大于实测结果，则修改γi0为γi或Ff0为Ff，其中γi＞γi0或Ff＞Ff0，否则取γi＜γi0或Ff＜Ff0，如果此时仿真结果与实测更接近，将γi或Ff作为新的基准值，即γi0＝γi或Ff0＝Ff，调整γi或Ff直到满足精度要求，从而最终确定γi或Ff。
作为优选，所述轮胎刚性包括纵向刚性、横向刚性和扭转刚性中的一种或多种；纵向刚性和横向刚性实测采用刚性测试国家标准GB/T 23663-2020中的方法B进行，该方法提取纵向力-纵向位移中测试负荷的30％-60％的纵向力和纵向位移数据段，或提取横向力-横向位移中测试负荷的30％-60％的横向力和横向位移数据段，进行线性最小二乘法拟合，直线斜率即为纵向刚性或横向刚性；扭转刚性采用自定义方法进行数据处理，提取扭矩-扭转角度中最大扭矩的30％-50％的扭矩-扭转角度数据段，进行线性最小二乘法拟合，直线斜率即为扭转刚性。
作为优选，所述步骤1)中，所选基准胎要求有刚性实测结果，其类型、规格大小与待测轮胎相同或相近，胎面胶料材料性能(如弹性模量、损耗因子等)相同或接近。
作为优选，所述基准胎的测试条件和仿真的边界条件(如负荷、气压等)相同或相近。
作为优选，所述步骤2)包括以下步骤：2.1)绘制材料分布图；2.2)有限元前处理；2.3)二维充气仿真建模；2.4)三维加载仿真建模。
作为优选，所述步骤2)采用AutoCAD对其绘制材料分布图，导出为dxf文件，导入Hypermesh软件进行网格划分，划分完毕导出inp文件，再导入ABAQUS/CAE软件进行二维充气建模分析，带纵沟，充气气压230kPa，橡胶材料采用yeoh模型，骨架材料采用rebar模型，通过SYMMETRIC MODEL GENERATION功能生成三维模型，沿圆周方向等分生成60个断面，计算采用ABAQUS/Standard求解器。
进一步，本发明还公开了所述的一种轮刚性仿真方法应用于轮胎刚性仿真分析。
进一步，本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现所述方法。
进一步，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序或指令，该计算机程序或指令被处理器执行时实现所述方法。
进一步，本发明还公开了一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，该计算机程序或指令被处理器执行时实现所述方法。
本发明由于采用了上述的技术方案，应用该方法进行轮胎刚性仿真分析，可以通过将仿真结果与实测结果进行对标，调整刚性仿真模型，使得仿真参数与实测条件尽量接近，从而仿真精度得到了大幅度提升，提高了轮胎刚性仿真建模效率。
附图说明
图1是本发明一个实施例的轮胎刚性仿真方法流程图。
图2是本发明一个实施例的205/55R16轮胎规格有限元三维模型。
图3是本发明一个实施例的1900N负荷下基准胎仿真与实测纵刚曲线对比。
图4是本发明一个实施例的1900N负荷下三方案仿真与实测纵刚结果对比。
图5是本发明一个实施例的4620N负荷下基准胎仿真与实测横刚曲线对比。
图6是本发明一个实施例的4620N负荷下三方案仿真与实测横刚结果对比。
图7是本发明一个实施例的7380N负荷下基准胎仿真与实测扭刚曲线对比。
图8是本发明一个实施例的7380N负荷下三方案仿真与实测扭刚结果对比。
具体实施方式
本发明的方法用于各种不同类型轮胎的刚性仿真分析。
以下通过一实例对本发明作进一步说明，本实施例以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本实施例以205/55R16轮胎规格为例，分析多设计方案在1900N负荷下的纵向刚性、4620N负荷下的横向刚性以及7380N负荷下的扭转刚性，充气气压均为230kPa。设计三方案如表1，只列出不同设计，其余相同设计省略。
表1 205/55R16轮胎规格三方案设计差异
方案编号 带束材料 带束帘线密度及角度 带束宽度(mm)
A 2*0.3ST 90E/24° 180/170
B 2+4*0.17UT 80E/26° 175/165
C 2+4*0.17UT 80E/24° 175/165
选定一与待分析轮胎相同规格的基准胎，胎面花纹也相同，有刚性实测结果。
纵向刚性和横向刚性实测采用刚性测试国家标准GB/T 23663-2020中的方法B进行，该方法提取纵向力-纵向位移中测试负荷的30％-60％的纵向力和纵向位移数据段，或提取横向力-横向位移中测试负荷的30％-60％的横向力和横向位移数据段，进行线性最小二乘法拟合，直线斜率即为纵向刚性或横向刚性。扭转刚性采用自定义方法进行数据处理，提取扭矩-扭转角度中最大扭矩的30％-50％的扭矩-扭转角度数据段，进行线性最小二乘法拟合，直线斜率即为扭转刚性。
采用AutoCAD对其绘制材料分布图，导出为dxf文件，导入Hypermesh软件进行网格划分，划分完毕导出inp文件，再导入ABAQUS/CAE软件进行二维充气建模分析，带纵沟，充气气压230kPa，橡胶材料采用yeoh模型，骨架材料采用rebar模型，通过SYMMETRIC MODELGENERATION功能生成三维模型，沿圆周方向等分生成60个断面，其有限元三维模型如图2所示，计算采用ABAQUS/Standard求解器。
(1)1900N负荷下的纵向刚性仿真。
从基准胎实测数据上看，在1900N负荷下最大纵向力为1769N，计算得μ0＝1769/1900＝0.931，给定初始的参数γi0＝6.50，在负荷的30％-60％范围内，即在570N-1140N范围内，实测中路面移动的距离为2.28mm-4.81mm，，路面最大移动距离为50mm，为兼顾计算效率和精度，仿真建模时将刚性计算分成3步，第一步路面移动距离为0-2.28*0.8mm，即为0-1.824mm，设置最大增量步长为0.05；第二步路面移动距离为2.28*0.8-4.81*1.2，即为1.824-5.772mm，此步最重要，设置最大增量步长0.01，最大增量步数要足够大，此处设置200；第三步路面移动距离为5.772-50mm，设置最大增量步长为0.1。
在该刚性仿真模型下进行仿真分析，分析结果最大纵向力为1776，与实测结果很接近，因此无需再进行调整，即确定轮胎与路面的摩擦系数为μ＝0.931。第二步共有102个增量步，在570N-1140N范围内共有67个点，进行线性最小二乘法拟合，得纵向刚性为165.2N/mm，实测值为216.6N/mm，仿真结果明显小于实测值，因此减小γi，取γi＝2.30，重新计算得纵向刚性为220.3N/mm，稍偏大，但与实测值已比较接近，将新的基准值定为γi0＝2.30，由于结果偏大，因此应该增大γi，取γi＝2.45，重新计算得纵向刚性为216.3N/mm，已与实测相当接近，因此确定γi的值为2.45，基准胎的仿真曲线与实测曲线如图3。
应用调整好的模型对三方案纵向刚性进行仿真分析，仿真结果与实测结果如图4所示，可见趋势一致，仿真精度高。
(2)4620N负荷下的横向刚性仿真。
从基准胎实测数据上看，在4620N负荷下最大横向力为3908N，计算得μ0＝3908/4620＝0.846，给定初始的参数γi0＝8.50，在负荷的30％-60％范围内，即在1386N-2772N范围内，路面移动的距离为13.06mm-26.59mm，路面最大移动距离为50mm，将刚性计算分成3步，第一步路面移动距离为0-13.06*0.8mm，即为0-10.45mm，设置最大增量步长为0.05；第二步路面移动距离为13.06*0.8-26.59*1.2，即为10.45-31.91mm，设置最大增量步长为0.01，最大增量步数200；第三步路面移动距离为31.91-50mm，设置最大增量步长为0.05。
在该刚性仿真模型下进行仿真分析，分析结果最大纵向力为3911N，与实测结果很接近，无需再进行调整，即确定轮胎与路面的摩擦系数为μ＝0.846。第二步共有102个增量步，在570N-1140N范围内共有85个点，进行线性最小二乘法拟合，得横向刚性为101.1N/mm，实测值为101.9N/mm，仿真结果略小于实测值，因此略减小γi，取γi＝8.20，重新计算得纵向刚性为102.0N/mm，与实测结果相比，已相当精确，因此确定γi的值为8.20，仿真曲线与实测曲线如图5。也可以调整Ff参数，当Ff＝0.55时，刚性100.5N/mm，当Ff＝0.51时，刚性102.4N/mm，因此如需获得更精确的Ff参数值，取在这两个数之间的值即可。
应用此模型对三方案横向刚性进行仿真分析，仿真结果与实测结果如图6所示，可见趋势一致，并且仿真精度较高。
(3)7380N负荷下的扭转刚性仿真。
给定初始摩擦系数μ0＝0.5，赋予初始的参数γi0＝7.00，从实测数据上看，在7380N负荷下最大扭矩为504.1N-m，在最大扭矩的30％-50％范围内，即在151.2N-m-252.4N-m范围内，路面旋转的角度为1.17°(0.02045rad)-2.01°(0.03514rad)，路面最大旋转角度为15°(0.2618rad)，将刚性计算分成3步，第一步路面旋转角度为0-0.02045*0.8rad，即为0-0.01636rad，设置最大增量步长为0.05；第二步路面旋转角度为0.02045*0.8-0.03514*1.2，即为0.01636-0.04217rad，设置最大增量步长为0.01，最大增量步数设置200；第三步路面旋转角度为0.04217-0.2618rad，设置最大增量步长为0.05。
在该刚性仿真模型下进行仿真分析，分析结果最大扭矩为582.8N-m，大于实测结果，因此应该减小摩擦系数，取轮胎与路面的摩擦系数为μ＝0.4，计算结果最大扭矩为466.5N-m，将新的基准值定义为μ0＝0.4，由于此时最大扭矩偏小，因此增大摩擦系数，取μ＝0.435，计算结果最大扭矩为507.3N-m，与实测很接近，因此确定该摩擦系数即为轮胎与路面之间的摩擦系数。
摩擦系数确定后，再确定γi参数。从仿真结果看，第二步共有102个增量步，在151.2N-m-252.4N-m之间内共有61个点，进行线性最小二乘法拟合，得扭转刚性为109.2N-m/°，实测值为112.4N-m/°，仿真结果小于实测值，因此减小γi，取γi＝6.20，重新计算得扭转刚性为116.4N-m/°，稍偏大，但与实测值已比较接近，略增大γi，取γi＝6.60，重新计算得扭转刚性为112.7N-m/°，与实测值很接近，因此确定γi的值为6.60，仿真曲线与实测曲线如图7。
应用该模型对三方案扭转刚性进行仿真分析，仿真结果与实测结果如图8所示，可见趋势一致，并且仿真精度能够满足要求。
以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施列，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种轮刚性仿真方法，该方法包括以下的步骤：1）选定基准胎；2）基准胎加载分析建模；3）基准胎刚性仿真建模；其特征在于，步骤3）基准胎刚性仿真建模包括以下的步骤：
3.1）赋予初始轮胎与路面之间的摩擦系数μ0
根据基准胎实测结果，纵向或横向刚性仿真计算模型参数中的轮胎与路面摩擦系数μ0=最大纵向力或最大横向力/测试负荷，对于扭转刚性，赋予一个初始摩擦系数μ0=0.5；
3.2）赋予初始轮胎与路面之间的的γi0或Ff0参数
在刚性仿真模型中采用定义轮胎与路面滑移的参数elastic slip或slip tolerance，elastic slip用γi表示，slip tolerance用Ff表示，赋予一个初始的elastic slip参数为γi0，slip tolerance参数为Ff0；
3.3）刚性仿真分析步设定
将轮辋固定及施加的载荷固定，通过移动路面或旋转路面计算得到路面反力或反力矩，根据实测结果，假设刚性曲线中用于计算的位移或旋转角度区间为[a，b]，路面最大位移或旋转角度为L，则对刚性计算分三步实现，第一步路面位移或旋转角度为[0，a*0.8]，第二步路面位移或旋转角度为[a*0.8，b*1.2]，第三步路面位移或旋转角度为[b*1.2，L]，其中纵向或横向为长度单位mm，扭转刚度单位为角度单位rad，第二步中设置最大增量步长和最大增量步数，从而计算得到更多的点，满足精度要求；
3.4）确定轮胎与路面之间的摩擦系数μ
如果计算得到最大的路面反力或反力矩大于实测结果，则修改摩擦系数为μ，其中μ＜μ0，否则取μ＞μ0，如果摩擦系数为μ时仿真结果与实测更接近，则将μ作为新的基准值，即μ0=μ，调整μ值直到满足精度要求，从而最终确定摩擦系数μ；
3.5）确定轮胎与路面之间的γi或Ff参数
如果刚性计算结果大于实测结果，则修改γi0为γi或Ff0为Ff，其中γi＞γi0或Ff＞Ff0，否则取γi＜γi0或Ff＜Ff0，如果此时仿真结果与实测更接近，将γi或Ff作为新的基准值，即γi0=γi或Ff0= Ff，调整γi或Ff直到满足精度要求，从而最终确定γi或Ff。
2.根据权利要求1所述的一种轮刚性仿真方法，其特征在于，轮胎刚性包括纵向刚性、横向刚性和扭转刚性中的一种或多种；纵向刚性和横向刚性实测采用刚性测试国家标准GB/T 23663-2020中的方法B进行，该方法提取纵向力-纵向位移中测试负荷的30%-60%的纵向力和纵向位移数据段，或提取横向力-横向位移中测试负荷的30%-60%的横向力和横向位移数据段，进行线性最小二乘法拟合，直线斜率即为纵向刚性或横向刚性；扭转刚性采用自定义方法进行数据处理，提取扭矩-扭转角度中最大扭矩的30%-50%的扭矩-扭转角度数据段，进行线性最小二乘法拟合，直线斜率即为扭转刚性。
3.根据权利要求1所述的一种轮刚性仿真方法，其特征在于，步骤1）中，所选基准胎要求有刚性实测结果，其类型、规格大小与待测轮胎相同或相近，胎面胶料材料性能（如弹性模量、损耗因子等）相同或接近。
4.根据权利要求3所述的一种轮胎刚性仿真方法，其特征在于，基准胎的测试条件和仿真的边界条件（如负荷、气压等）相同或相近。
5.根据权利要求1所述的一种轮刚性仿真方法，其特征在于，步骤2）包括以下步骤：2.1）绘制材料分布图；2.2）有限元前处理；2.3）二维充气仿真建模；2.4）三维加载仿真建模。
6.根据权利要求1所述的一种轮刚性仿真方法，其特征在于，步骤2）采用AutoCAD对其绘制材料分布图，导出为dxf文件，导入Hypermesh软件进行网格划分，划分完毕导出inp文件，再导入ABAQUS/CAE软件进行二维充气建模分析，带纵沟，充气气压230kPa，橡胶材料采用yeoh模型，骨架材料采用rebar模型，通过SYMMETRIC MODEL GENERATION 功能生成三维模型，沿圆周方向等分生成60个断面，计算采用ABAQUS/Standard求解器。
7.权利要求1-6任意一项权利要求所述的一种轮刚性仿真方法应用于轮胎刚性仿真分析。
8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1-6任意一项权利要求所述方法。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序或指令，其特征在于，该计算机程序或指令被处理器执行时实现权利要求1-6任意一项权利要求所述方法。
10.一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，其特征在于，该计算机程序或指令被处理器执行时实现权利要求1-6任意一项权利要求所述方法。
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