CN117973143A - 一种轮胎侧偏特性仿真方法、应用和计算机程序 - Google Patents

一种轮胎侧偏特性仿真方法、应用和计算机程序 Download PDF

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Abstract

本发明涉及轮胎智能设计技术领域,尤其涉及一种轮胎侧偏特性有限元仿真方法、设备、介质和程序。本发明提供了一种轮胎侧偏特性有限元仿真方法,该方法包括有限元前处理、二维充气和三维加载建模分析、动态侧偏特性仿真建模分析、仿真结果提取,该方法不仅仿真精度高,又兼顾了仿真效率。

Description

一种轮胎侧偏特性仿真方法、应用和计算机程序
技术领域
本发明涉及轮胎智能设计技术领域,尤其涉及一种轮胎侧偏特性仿真方法、设备和计算机程序。
背景技术
随着汽车产业从传统工业经济向数字化经济不断推进,传统的研发模式对产品设计及优化迭代效率低、成本高、周期长,已经难以满足当今市场快速变化的需求。随着仿真技术的发展,汽车虚拟开发技术也在不断完善,轮胎虚拟送样是汽车虚拟开发不可或缺的重要组成部分。轮胎动力学模型是轮胎虚拟送样的载体,能否建立高效率、高精度的轮胎动力学模型已然成为能否能够实现轮胎虚拟送样的关键,也是整车数字化正向开发的必然要求。轮胎侧偏特性是轮胎动力学建模模型的重要一部分,是指侧向力、回正力矩与侧偏角之间的关系,与汽车的操稳性密切相关。为建立轮胎虚拟送样能力,轮胎企业必须建立高精度和高效率的轮胎侧偏特性仿真模型。但轮胎由十几种橡胶材料和多种骨架材料组成的复杂的复合材料弹性体,如果考虑所有部件,则仿真效率较低,如果对轮胎结构进行高度简化,虽然提高了计算效率,但精度又难以保证。
发明内容
为了解决上述的技术问题,本发明提供了一种轮胎侧偏特性仿真方法,通过进行有限元前处理、二维充气和三维加载建模分析、动态侧偏特性仿真建模分析、仿真结果提取,实现高精度和高效率仿真轮胎侧偏特性的目的。
为了实现上述的目的,本发明采用了以下的技术方案:
一种轮胎侧偏特性有限元仿真方法,其特征在于,该方法包括以下的步骤:
1)有限元前处理;
1.1)绘制材料分布图;
1.2)网格划分;
2)静态加载分析建模;
2.1)二维充气仿真建模及分析,计算得到充气外半径;
2.2)在三维模型中,设置轮胎中心轴为Y轴,路面加载方向为Z方向,路面坐标的Z轴距离原点为充气外半径,对4方向赋予一个侧倾角,进行三维加载仿真建模,提取轮胎下沉量,即可计算得到加载后的路面信息;
3)动态侧偏特性仿真建模及分析;
3.1)导入静态分析中各部件、约束、表面、加载后路面的信息;
3.2)建立连接器单元、铰接约束和局部坐标系,设置轮辋参考点为连接器参考点,设置局部坐标系的X’轴为水平方向,即为轮胎的旋转轴,Y’轴为垂直方向,绕Y’轴旋转即为轮胎侧偏角转动方向;
3.3)设置轮胎和路面的质量和转动惯量;
3.4)设置轮辋和轮胎之间、轮胎和路面之间的摩擦属性;
3.5)建立第一个分析步,固定连接器参考点,设定气压和载荷,给路面水平方向即1方向施加移动速度,速度幅值函数为从0增加到设定速度,并设置历史变量输出;
3.6)建立第二个分析步,保持路面匀速运动,连接器参考点绕垂直方向即Y’轴施加侧偏角,即对5方向赋予一个角度,设置侧偏角幅值函数为从0s到t1 s时,侧偏角从0增加到给定值,从t1 s到t2 s阶段,保持侧偏角不变,设置历史变量输出同第一步,设输出时间间隔为t s,则每秒输出1/t 个数据;
3.7)选定一系列侧偏角,用程序生成一系列计算文件;在选定的侧偏角中,必须包含最大和最小的侧偏角,即临界值,以及-1°、0°、1°这三个侧偏角,用于计算侧偏刚,,其余根据实际情况进行选取,每个侧偏角对应一个计算文件;
3.8)提交进行求解,对结果采用程序进行自动数据提取和后处理。
作为优选,所述步骤1)中,轮胎胎面忽略横向花纹沟,仅带纵向主沟,区分轮胎各个部件。
作为优选,所述步骤2.1)中,所有骨架材料采用rebar模型,其中带束增加lift方程,通过设计带束鼓直径和设计外直径,计算得到伸长率和带束半径。
作为优选,步骤2.2)中如带有侧倾角,则将轮辋参考点绕X轴进行旋转;步骤3.3)中如带有侧倾角,则将局部坐标系绕Z’轴旋转到侧倾角位置,保持X’轴和Y’轴仍为轮胎的水平方向和垂直方向。
作为优选,所述步骤3.4)中,增加路面和轮胎之间的摩擦模型,摩擦模型中包含滑移速度和接触压力参数,设置轮胎和轮辋之间的摩擦系数范围为0.1到0.5之间。
作为优选,所述步骤3.5)中,第一个分析步计算时间范围设置为0.05s到0.2s之间。
作为优选,所述步骤3.6)中,第二个分析步计算时间设置t1范围为0.05s到0.15s之间,t2为0.05s到0.5s之间,历史变量输出中,设置输出连接器参考点的RF2, RF3, RM3三个变量,其中RF3用于参考计算过程中载荷是否稳定,t最大设置为0.0025s,即每秒输出至少400个点。
作为优选,所述步骤3.7)中,在选定的侧偏角中,必须包含最大和最小的侧偏角,即临界值,以及-1°、0°、1°这三个侧偏角(用于计算侧偏刚度),其余根据实际情况进行选取,每个侧偏角对应一个计算文件。
作为优选,所述步骤3.8)中,对每个计算结果文件进行数据提取,提取第二个分析步的时间历程为最后tLs的数据,每个变量共有tL/t个数据点,对这些数据点平均即得到该侧偏角下对应的侧向力和回正力矩,以侧偏角为横坐标,侧向力和回正力矩分别为纵坐标绘制点,可得到侧偏角和侧向力以及侧偏角和回正力矩的散点图,也可按侧偏角从小到大的次序用直线连接,得到侧向力随侧偏角变化曲线图和回正力矩随侧偏角变化曲线图。
进一步,本发明还公开了一种轮胎侧偏特性仿真方法,该方法在轮胎侧偏特性仿真中进行应用。
本发明由于采用了上述的技术方案,考虑了轮胎各个部件,使得仿真精度上得到保证,同时通过选定对多个不同侧偏角下进行仿真,可以控制侧偏角分析个数及分析步分析时间,避免了仿真时间过长可能导致的网格畸变问题,也兼顾了仿真效率,使得仿真效率得到了显著提升。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是225/50R18轮胎规格有限元二维仿真模型。
图3是225/50R18轮胎规格有限元三维仿真模型。
图4是225/50R18轮胎规格有限元动态侧偏特性仿真模型。
图5是225/50R18轮胎规格侧偏角为-3°时的接触压力分布图。
图6是225/50R18轮胎规格侧偏角为18°时的运行状态模型。
图7是225/50R18轮胎规格在8585N负荷下侧偏角为横坐标和侧向力为纵坐标的散点图。
图8是225/50R18轮胎规格在8585N负荷下侧偏角为横坐标和回正力矩为纵坐标的散点图。
图9是225/50R18轮胎规格右倾6°时的仿真模型。
图10是225/50R18轮胎规格在8585N负荷下右倾6°时侧偏角为横坐标和侧向力为纵坐标的散点图。
图11是225/50R18轮胎规格在8585N负荷下右倾6°时侧偏角为横坐标和回正力矩为纵坐标的散点图。
具体实施方式
本发明的方法用于各种不同类型轮胎的侧偏特性仿真分析。
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225/50R18轮胎规格为例,建立8585N负荷下侧偏特性有限元仿真分析模型。
采用AutoCAD对其绘制材料分布图,导出为dxf文件,再导入Hypermesh软件进行网格划分,划分完毕导出inp文件,后续导入ABAQUS/CAE软件进行二维充气建模分析,带纵沟,充气气压250kPa,橡胶材料采用yeoh模型,骨架材料采用rebar模型,橡胶包括胎面、胎侧、基部胶等共计13个部件,骨架材料包括带束钢丝、胎体帘线等共计7个部件,通过带束鼓直径、设计外直径及材料分布图的尺寸,可计算得到带束层1和带束层2的伸长率分别为3.67%和3.65%,带束半径分别为319.471和320.522。二维充气模型如图2所示。该模型共有1186个节点,1079个单元。经ABAQUS/Standard求解器求解得外半径为343.276mm,因此设置路面Z轴的坐标为-343.276。
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,其有限元三维模型如图3所示,采用ABAQUS/Standard求解器,在负载为8585N的工况下,计算得到下沉量为36.194mm, 外半径减去下沉量为307.082mm。
三维加载计算完成后,进行动态侧偏特性仿真建模分析。导入静态分析中各部件,包括轮辋共计21个,导入骨架材料嵌入约束和轮辋参考点刚体约束共计8个,导入轮胎与轮辋、内腔及地面接触的表面及轮辋与轮胎接触的表面共计9个,负载8585N条件下路面Z轴的坐标设置为-307.082,路面长度为200m。建立连接器单元、铰接约束和局部坐标系,设置轮辋参考点为连接器参考点,设置局部坐标系的X’轴为水平方向,即为轮胎的旋转轴,Y’轴为垂直方向,绕Y’轴旋转即为轮胎侧偏特性转动方向,如图4所示。设置轮辋重量为9.25kg,X、Y、Z三方向的转动惯量分别为110、1200、110,根据相关文献资料并经实测建立摩擦模型公式,考虑了接触压力和滑移速度对摩擦性能的影响。设置轮胎和轮辋之间的摩擦系数为0.3。
建立第一个分析步,选择Dynamic,Explicit分析,固定连接器参考点,设定气压为250kPa,载荷8585N,给路面水平方向即1方向施加移动速度,速度幅值函数为从0增加到60km/h,即16667mm/s,计算时间设置为0.1s,也就是说,在0.1s内,路面的移动速度从0增加到60km/h。,设置输出连接器参考点的RF2, RF3, RM3三个变量,其中RF3用于参考计算过程中载荷是否稳定,设置时间间隔为0.0025s,即每秒输出400个点。
建立第二个分析步,同样采用Dynamic,Explicit分析,保持路面匀速运动,连接器参考点绕垂直方向即Y’轴施加侧偏角α,即对5方向赋予α角度,单位为弧度,设置侧偏角幅值函数为从0s到0.1s时,侧偏角从0增加到α,从0.1s到0.35s阶段,保持侧偏角α不变,设置历史变量输出同第一步。α分别取-18°、-14°、-12°、-10°、-8°、-6°、-4°、-3°、-2°、-1°、0°、1°、2°、3°、4°、6°、8°、10°、12°、14°、18°,共计21个点,每个点对应一个input文件,即需要21个input文件,可通过程序快速生成。
对21个input文件批量提交ABAQUS/ Explicit计算,每个input文件需要计算0.45s的时间,共计计算9.45s,如果按对侧偏角进行扫描的方法计算,则需要计算约15s的时间,总共可以节约计算时间超过三分之一,因此显著地提高了计算效率,同时避免了仿真时间过长可能导致的网格畸变问题。图5为侧偏角为-3°时的接触压力分布,图6为侧偏角为18°时的运行状态模型。
对每个abaqus计算结果odb文件进行数据提取,提取第二个分析步的时间历程从0.25s到0.35s的数据,每个变量共有40个数据点,对这40个数据点平均即得到该侧偏角下对应的侧向力RF2、回正力矩RM3和垂向力RF3,以侧偏角为横坐标,侧向力和回正力矩分别为纵坐标绘制点,得到以侧偏角为横坐标以侧向力为纵坐标的散点图和以侧偏角为横坐标以回正力矩为纵坐标的散点图,分别如图7和图8所示。另外提取的各侧偏角下垂向力结果范围在8219.215N和8738.264N之间。
如仿真侧倾侧偏工况,以轮胎右倾6°为例。在三维建模时,对4方向赋予一个6°侧倾角,输入软件时需转换成弧度,计算并提取轮胎下沉量。在动态侧偏特性建模时,将局部坐标系绕Z’轴向右旋转6°,轮胎运动方向为沿全局坐标系X轴正方向,如图9所示。仿真得到的以侧偏角为横坐标以侧向力为纵坐标的散点图和以侧偏角为横坐标以回正力矩为纵坐标的散点图分别如图10和图11所示。提取的各侧偏角下垂向力结果范围在8424.183N和8797.439N之间。
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)

1.一种轮胎侧偏特性有限元仿真方法,其特征在于,该方法包括以下的步骤:
1)有限元前处理;
1.1)绘制材料分布图;
1.2)网格划分;
2)静态加载分析建模;
2.1)二维充气仿真建模及分析,计算得到充气外半径;
2.2)在三维模型中,设置轮胎中心轴为Y轴,路面加载方向为Z方向,路面坐标的Z轴距离原点为充气外半径,对4方向赋予一个侧倾角,进行三维加载仿真建模,提取轮胎下沉量,即可计算得到加载后的路面信息;
3)动态侧偏特性仿真建模及分析;
3.1)导入静态分析中各部件、约束、表面、加载后路面的信息;
3.2)建立连接器单元、铰接约束和局部坐标系,设置轮辋参考点为连接器参考点,设置局部坐标系的X’轴为水平方向,即为轮胎的旋转轴,Y’轴为垂直方向,绕Y’轴旋转即为轮胎侧偏角转动方向;
3.3)设置轮胎和路面的质量和转动惯量;
3.4)设置轮辋和轮胎之间、轮胎和路面之间的摩擦属性;
3.5)建立第一个分析步,固定连接器参考点,设定气压和载荷,给路面水平方向即1方向施加移动速度,速度幅值函数为从0增加到设定速度,并设置历史变量输出;
3.6)建立第二个分析步,保持路面匀速运动,连接器参考点绕垂直方向即Y’轴施加侧偏角,即对5方向赋予一个角度,设置侧偏角幅值函数为从0s到t1 s时,侧偏角从0增加到给定值,从t1 s到t2 s阶段,保持侧偏角不变,设置历史变量输出同第一步,设输出时间间隔为t s,则每秒输出1/t 个数据;
3.7)选定一系列侧偏角,用程序生成一系列计算文件;在选定的侧偏角中,包含最大和最小的侧偏角,即临界值,以及-1°、0°、1°这三个侧偏角,用于计算侧偏刚,,其余根据实际情况进行选取,每个侧偏角对应一个计算文件;
3.8)提交进行求解,对结果采用程序进行自动数据提取和后处理。
2.根据权利要求1所述的一种轮胎侧偏特性有限元仿真方法,其特征在于,步骤1)中,轮胎胎面忽略横向花纹沟,仅带纵向主沟,区分轮胎各个部件。
3.根据权利要求1所述的一种轮胎侧偏特性有限元仿真方法,其特征在于,步骤2.1)中,所有骨架材料采用rebar模型,其中带束增加lift方程,通过设计带束鼓直径和设计外直径,计算得到伸长率和带束半径。
4.根据权利要求1所述的一种轮胎侧偏特性有限元仿真方法,其特征在于,步骤2.2)中如带有侧倾角,则将轮辋参考点绕X轴进行旋转;步骤3.3)中如带有侧倾角,则将局部坐标系绕Z’轴旋转到侧倾角位置,保持X’轴和Y’轴仍为轮胎的水平方向和垂直方向。
5.根据权利要求1所述的一种轮胎侧偏特性有限元仿真方法,其特征在于,步骤3.4)中,增加路面和轮胎之间的摩擦模型,摩擦模型中包含滑移速度和接触压力参数,设置轮胎和轮辋之间的摩擦系数范围为0.1到0.5之间;步骤3.5)中,第一个分析步计算时间范围设置为0.05s到0.2s之间。
6.根据权利要求1所述的一种轮胎侧偏特性有限元仿真方法,其特征在于,步骤3.6)中,第二个分析步计算时间设置t1范围为0.05s到0.15s之间,t2为0.05s到0.5s之间,历史变量输出中,设置输出连接器参考点的RF2, RF3, RM3三个变量,其中RF3用于参考计算过程中载荷是否稳定,t最大设置为0.0025s,即每秒输出至少400个点。
7.根据权利要求1所述的一种轮胎侧偏特性有限元仿真方法,其特征在于,步骤3.8)中,对每个计算结果文件进行数据提取,提取第二个分析步的时间历程为最后tL s的数据,每个变量共有tL/t个数据点,对这些数据点平均即得到该侧偏角下对应的侧向力和回正力矩,以侧偏角为横坐标,侧向力和回正力矩分别为纵坐标绘制点,可得到侧偏角和侧向力以及侧偏角和回正力矩的散点图,也可按侧偏角从小到大的次序用直线连接,得到侧向力随侧偏角变化曲线图和回正力矩随侧偏角变化曲线图。
8.权利要求1-7任意一项权利要求所述方法在轮胎侧偏特性仿真中的应用。
9.一种计算机设备,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1-7任意一项权利要求所述方法。
10.一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1-7任意一项权利要求所述方法。
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