CN115659625A - 一种周期性花纹轮胎的滚动阻力的预测方法、应用和计算机程序产品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轮胎仿真设计技术领域，尤其涉及一种周期性花纹轮胎的滚动阻力的预测方法、应用和计算机程序产品。一种周期性花纹轮胎的滚动阻力的预测方法，该方法包括以下的步骤：第一步，对具有周期性花纹的轮胎进行静态负载数值模拟；第二步，将计算过程均分多段，输出每段的单元应力、应变数据；第三步，提取单元的应力应变历史数据；第四步：利用拟合后的参数数据计算橡胶材料单元能量损耗e_ii；第五步：将每个单元6个方向应力应变所产生的能量损耗相加，即得单元的能量损耗E_i，通过公式计算滚动阻力。本发明方法只需进行简单的一个截距角度的滚动计算，应用傅里叶变换方法即可快速计算复杂花纹轮胎的滚动阻力，为花纹设计和轮胎结构设计提供指导。

Description

一种周期性花纹轮胎的滚动阻力的预测方法、应用和计算机 程序产品

技术领域

本发明涉及轮胎仿真设计技术领域，尤其涉及一种周期性花纹轮胎的滚动阻力的预测方法、应用和计算机程序产品。

背景技术

随着欧洲轮胎标签法的实施、绿色轮胎的行业发展趋势以及电动汽车续航里程的需求，低滚动阻力轮胎早已成为轮胎行业的共识性追求，滚动阻力是衡量轮胎性能的关键指标之一。对轮胎滚动阻力的测量和评估主要有试验和有限元仿真方法，试验方法虽然能够准确获得轮胎滚动阻力值，但需制作轮胎并测试，成本高，周期长，并且无法获得轮胎内部变形状态，需要针对不同结构轮胎进行多次测试才能找到滚动阻力高或低的产生原因。与之相比的有限元仿真方法则成本低、周期短，而且能够直观的获得轮胎的变形和受力状态，便于分析结构和材料对轮胎变形及滚动阻力的影响。

目前对轮胎滚动阻力的仿真分析研究主要集中于光面轮胎或纵沟轮胎，而具有复杂花纹轮胎的滚动阻力的仿真计算则鲜有报道，主要原因为复杂花纹打破了原有轴对称结构，从而引起单元数据不连续，无法有效的进行数据处理。如若获取轮胎完整一周的应力应变数据，需要计算轮胎滚动一周，需要花费大量的计算资源与时间。而采用粘弹性橡胶模型的滚动阻力计算则模型过于复杂，需进行大量的材料测试，费时费力，并且无法体现工程常用的橡胶材料参数(模量与损耗正切)，无法获得规律性经验。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种周期性花纹轮胎的滚动阻力的预测方法，该方法只需进行简单的一个截距角度的滚动计算，应用傅里叶变换方法即可快速计算复杂花纹轮胎的滚动阻力，为花纹设计和轮胎结构设计提供指导。

为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种周期性花纹轮胎的滚动阻力的预测方法，该方法包括以下的步骤：

第一步，对具有周期性花纹的轮胎进行静态负载数值模拟；

第二步，分为两种情况：

2.1)设置轮胎与路面间摩擦系数为0，对轮辋施加绕轮轴旋转的角度位移θ，θ为轮胎花纹单个截距的角度值；

2.2)设置路面摩擦系数为实际测试值，对轮辋施加绕轮轴旋转的角度位移θ，θ为轮胎花纹单个截距的角度值，同时对路面施加与轮辋转动相反方向的水平位移d，d按如下方法计算：

其中r为轮胎负载半径；

将计算过程均分多段，输出每段的单元应力、应变数据；

第三步，提取单元的应力应变历史数据

轮胎原始截距的单元编号为i，其他截距的单元编号偏移值为p，单元截距数量为n，编号为k的单元在第二步中第t段输出结果记作单元编号为k％p的单元受力历史中，其横坐标x记作(int(k/p)*θ+t*θ/10)，其中％代表取余，int()代表取整，纵坐标为单元6个方向真实应力和应变值分别记作σ值和ε值，利用150阶三角级数对单元的σ，ε值进行拟合：

第四步：利用拟合后的参数数据计算橡胶材料单元能量损耗e_ii，tanδ值为橡胶材料的损耗正切，V为单元体积：

第五步：将每个单元6个方向应力应变所产生的能量损耗相加，即得单元的能量损耗E_i，滚动阻力根据以下公式计算：

作为优选，步骤一中对轮胎模型施加额定气压，建立路面模型，固定轮辋，对路面施加额定载荷，使其压向轮胎，气压与载荷的确定依据《中国轮胎轮辋气门嘴年鉴》。

作为优选，步骤2.2)中路面摩擦系数介于0.3-1.0。

作为优选，步骤二中将计算过程均分8-20段，输出每段的单元应力、应变数据。

进一步，本发明还公开了所述的方法在轮胎花纹设计或轮胎结构设计中的应用。

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，该方法只需进行简单的一个截距角度的滚动计算，应用傅里叶变换方法即可快速计算复杂花纹轮胎的滚动阻力，为花纹设计和轮胎结构设计提供指导。

附图说明

图1为21550R15具复杂花纹轮胎模型；

图2为21550R15具复杂花纹轮胎受载变形图；

图3为21550R15轮胎轮胎旋转轴、轮辋角位移及胎面与路面摩擦示意图；

图4为21550R15轮胎单个花纹截距模型；

图5为21550R15轮胎单个花纹截距角度示意图；

图6为21550R15轮胎部分单元的应力输出值；

图7为21550R15轮胎部分单元的应变输出值；

图8为21550R15轮胎中11673单元的应力S11历史曲线；

图9为21550R15轮胎中11673单元的应变LE11历史曲线；

图10为21550R15轮胎单截距花纹断面的单元能量损耗分布图。

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21550R15轮胎为例：

第一步，对具有周期性花纹的轮胎进行静态负载数值模拟。依据《中国轮胎轮辋气门嘴年鉴》，对具有周期性花纹的轮胎模型施加额定气压0.18MPa和额定载荷，建立路面模型，固定轮辋，如图1所示，对路面施加额定载荷6000N，使其压向轮胎，如图2所示；

第二步，此实施例中采用第一种情况，设置轮胎与路面间摩擦系数为0，对轮辋施加绕轮轴旋转的角度位移θ＝10度(如图3)，θ为轮胎花纹单个截距的角度值，如图4及图5所示。将计算过程均分10段，输出每段的单元应力、应变数据，部分结果如图6-图7所示。

第三步，提取单元的应力应变历史数据。以单元编号为465721的单元为例，其他截距的单元编号偏移值为p＝16216，轮胎原始截距的单元编号为i＝11673，单元截距数量为n＝36，编号为465721的单元在第二步中第1段输出结果记作单元编号为11673的单元受力历史中，其横坐标x记作(28*10+1*10/10)＝281，编号为465721的单元在第二步中第5段输出结果记作单元编号为11673的单元受力历史中，其横坐标x记作(28*10+5*10/10)＝285，纵坐标为单元真实应力和应变值(包括11方向、22方向、33方向、12方向、13方向和23方向)分别记作σ值和ε值，以σ₁₁为例，此值为0.213。提取11673单元的所有计算结果，绘制曲线如图8与图9所示。所有单元的利用150阶三角级数对单元的σ，ε值进行拟合：

部分拟合结果如表1所示。

表1为21550R15轮胎11673号单元周向11方向应变的部分三角级数拟合系数

阶数	ε<sub>nc</sub>	ε<sub>ns</sub>
			n＝1	0.048677128161277006	-0.01178
n＝2	0.005762	0.034562
			n＝3	-0.02496	0.006944
n＝4	-0.01306	-0.01652
			n＝5	0.010247	-0.0155
n＝6	0.009846	0.008189
			n＝7	-0.00664	0.005613
n＝8	-0.00468	-0.00443
			n＝9	0.00364	-0.00312
n＝10	0.000865	0.003969

第四步：利用拟合后的参数数据计算橡胶材料单元能量损耗eii，tanδ值为橡胶材料的损耗正切，V为单元体积，以e11为例，

部分计算结果如表2所示。

表2 21550R15轮胎部分单元的e₁₁值，及单元体积及tanδ值

第五步：将每个单元6个方向应力应变所产生的能量损耗相加，即得单元的能量损耗E_i，滚动阻力根据以下公式计算：

根据以上方法便可预测具有周期性花纹轮胎的滚动阻力，各单元滚动阻力分布图如图10所示。其中r为315mm，部分单元的能量损耗如表3所示，轮胎整体滚动阻力为37.588N，光胎分析结果为约42.26N，只带纵沟轮胎花纹的滚阻计算结果为约40.58N，而实测结果为约36.8N，足以证明本专利方法的准确性。

表3 21550R15轮胎部分单元的单元能量损失值

如果采用轮胎模型滚动一周而计算滚动阻力，则计算时间约为本专利方法的36倍之多，数据处理时间将超本专利方法的36倍之多。如若采用粘弹性方法则需测试材料的粘弹性参数，测试费用与时间将是被专利方法的10倍之多，这证明了本专利方法的先进性。

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 (8)

1.一种周期性花纹轮胎的滚动阻力的预测方法，其特征在于，该方法包括以下的步骤：

第一步，对具有周期性花纹的轮胎进行静态负载数值模拟；

第二步，分为两种情况：

2.1)设置轮胎与路面间摩擦系数为0，对轮辋施加绕轮轴旋转的角度位移θ，θ为轮胎花纹单个截距的角度值；

2.2)设置路面摩擦系数为实际测试值，对轮辋施加绕轮轴旋转的角度位移θ，θ为轮胎花纹单个截距的角度值，同时对路面施加与轮辋转动相反方向的水平位移d，d按如下方法计算：

其中r为轮胎负载半径；

将计算过程均分多段，输出每段的单元应力、应变数据；

第三步，提取单元的应力应变历史数据

轮胎原始截距的单元编号为i，其他截距的单元编号偏移值为p，单元截距数量为n，编号为k的单元在第二步中第t段输出结果记作单元编号为k％p的单元受力历史中，其横坐标x记作(int(k/p)*θ+t*θ/10)，其中％代表取余，int()代表取整，纵坐标为单元6个方向真实应力和应变值分别记作σ值和ε值，利用150阶三角级数对单元的σ，ε值进行拟合：

第四步：利用拟合后的参数数据计算橡胶材料单元能量损耗e_ii，tanδ值为橡胶材料的损耗正切，V为单元体积：

第五步：将每个单元6个方向应力应变所产生的能量损耗相加，即得单元的能量损耗E_i，滚动阻力根据以下公式计算：

2.根据权利要求1所述的一种周期性花纹轮胎的滚动阻力的预测方法，其特征在于，步骤一中对轮胎模型施加额定气压，建立路面模型，固定轮辋，对路面施加额定载荷，使其压向轮胎，气压与载荷的确定依据《中国轮胎轮辋气门嘴年鉴》。

3.根据权利要求1所述的一种周期性花纹轮胎的滚动阻力的预测方法，其特征在于，步骤2.2)中路面摩擦系数介于0.3-1.0。

4.根据权利要求1所述的一种周期性花纹轮胎的滚动阻力的预测方法，其特征在于，步骤二中将计算过程均分8-20段，输出每段的单元应力、应变数据。

5.权利要求1-4任意一项权利要求所述的方法在轮胎花纹设计或轮胎结构设计中的应用。

6.一种计算机设备，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1-4任意一项权利要求所述方法。

7.一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1-4任意一项权利要求所述方法。

8.一种计算机程序产品，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1-4任意一项权利要求所述方法。

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