KR101507136B1 - Method for obtaining Physical Quantities relating to Hydroplaning for a Tire in Thin Water using FEM and an Estimation Method - Google Patents

Method for obtaining Physical Quantities relating to Hydroplaning for a Tire in Thin Water using FEM and an Estimation Method Download PDF

Info

Publication number
KR101507136B1
KR101507136B1 KR1020130094165A KR20130094165A KR101507136B1 KR 101507136 B1 KR101507136 B1 KR 101507136B1 KR 1020130094165 A KR1020130094165 A KR 1020130094165A KR 20130094165 A KR20130094165 A KR 20130094165A KR 101507136 B1 KR101507136 B1 KR 101507136B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
water film
force
tire
physical quantity
thickness
Prior art date
Application number
KR1020130094165A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20150017927A (en
Inventor
정현용
정재용
Original Assignee
서강대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서강대학교산학협력단 filed Critical 서강대학교산학협력단
Priority to KR1020130094165A priority Critical patent/KR101507136B1/en
Publication of KR20150017927A publication Critical patent/KR20150017927A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101507136B1 publication Critical patent/KR101507136B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M17/00Testing of vehicles
    • G01M17/007Wheeled or endless-tracked vehicles
    • G01M17/02Tyres
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60GVEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G2400/00Indexing codes relating to detected, measured or calculated conditions or factors
    • B60G2400/80Exterior conditions
    • B60G2400/82Ground surface
    • B60G2400/822Road friction coefficient determination affecting wheel traction
    • B60G2400/8222Hydroplaning

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Tires In General (AREA)

Abstract

본 발명은 얇은 수막에서의 수막현상에 대한 물리량을 쉽고 빠르게 얻을 수 있도록 유한요소와 예측방법을 이용하여 얇은 수막에서의 수막현상에 대한 물리량 획득 방법을 제공하는 것이 그 기술적 과제이다. 이를 위해, 본 발명의 유한요소와 예측방법을 이용하여 얇은 수막에서의 수막현상에 대한 물리량 획득 방법은, 타이어와 수막에 대한 유한 요소 모델을 이용하여 제1 구간에 있는 적어도 2개의 수막 두께에 대한 주행속력 별 해석 물리량을 각각 얻는 단계; 상기 각각의 해석 물리량을 점근법을 통한 커브 피팅으로 수막 두께와 주행속력의 지수함수를 얻는 단계; 및 상기 지수함수를 이용하여 제2 구간에 있는 적어도 하나의 수막 두께에 대한 주행 속력 별 예측 물리량을 획득하는 단계를 포함한다.It is a technical problem to provide a method of obtaining a physical quantity for a water film phenomenon in a thin water film using a finite element and a prediction method so that a physical quantity for a water film phenomenon in a thin water film can be obtained easily and quickly. To this end, a physical quantity acquisition method for a water film phenomenon in a thin water film by using the finite element and the prediction method of the present invention is characterized by using a finite element model for a tire and a water film to calculate at least two water film thicknesses in the first section Obtaining analytic physical quantities for each driving speed; Obtaining an exponential function of the thickness of the water film and the running speed by curve fitting through the asymptotic method; And obtaining a prediction physical quantity per driving speed for at least one water film thickness in the second section using the exponential function.

Description

유한요소와 예측방법을 이용하여 얇은 수막에서의 수막현상에 대한 물리량 획득 방법{Method for obtaining Physical Quantities relating to Hydroplaning for a Tire in Thin Water using FEM and an Estimation Method}[0001] The present invention relates to a method for acquiring a physical quantity of a water film phenomenon in a thin water film by using a finite element and a prediction method,

본 발명은 얇은 수막에서의 수막현상에 대한 물리량을 획득하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for obtaining a physical quantity for a water film phenomenon in a thin water film.

이전 연구자들에 의해 확인된 수막현상을 야기하는 주요 매개변수는 타이어의 패턴 형상, 내부압력, 타이어의 구조와 같은 타이어 관련 변수와 노면의 상태, 배수율 등을 고려한 지면 관련 변수, 그리고 물의 깊이와 밀도에 따른 유체 관련 변수 등으로 알려져 있다(Horne and Dreher, 1963; Horn et al., 1986; Huebner et al., 1986).The main parameters that lead to the hydrocephalus phenomenon identified by previous researchers are tire-related variables such as tire shape, internal pressure, structure of tires such as tire structure, road surface condition, drainage rate, etc., (Horn et al., 1986; Huebner et al., 1986).

이러한 수막현상 매개변수를 찾는 연구는 1960년부터 나사(NASA)의 랑글리 리서치 센터(Langley Research Center)에서 항공기 착륙 트랙을 이용하여 수막현상에 대한 여러 현상들을 실험을 통해 규명하면서 본격적으로 다루어졌다. 이후 노면의 일부에 강화 유리를 설치하고 일정한 두께의 수막 위를 주행하는 타이어를 고속 촬영하여 타이어 접지 면의 형상과 유체의 거동을 연구하고 있다(Suzuki and Fujikawa, 2001). 더 나아가, 주행 속력, 타이어 종류, 타이어 트레드 형상, 차륜 하중, 노면의 표면특성, 노면 구조(texture) 그리고 노면 위의 수막 두께와 같이 수막현상과 밀접한 관련이 있는 인자들에 의해 영향을 받는 미끄럼 저항에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다(Rose and Gallaway, 1977; Anderson et al., 1998).The research of finding these hydrokinetic parameters has been done in earnest since 1960 by using NASA's Langley Research Center to investigate various phenomena of the meninges phenomenon using aircraft landing tracks. In this study, we investigated the shape and fluid behavior of the tire ground plane by using high-speed photographs of tires running on the water film of constant thickness with tempered glass on a part of the road surface (Suzuki and Fujikawa, 2001). Furthermore, the slip resistance, which is influenced by factors closely related to hydro-film phenomena such as running speed, type of tire, shape of tire tread, wheel load, surface characteristics of road surface, texture of road surface, (Rose and Gallaway, 1977; Anderson et al., 1998).

그러나 실험적인 방법은 실험장비를 제작해야 하고 별도의 시험장을 필요로 하기 때문에 많은 시간과 비용이 요구된다. 따라서, 해석적인 방법의 연구가 지속적으로 이루어지고 있다(Saal, 1936; Martin, 1996; Eshel, 1967; Grog-ger and Weiss, 1996; ZminDak and Grajcia r, 1997; Nakajima et al., 2000; Okano and koishi, 2001; Koishi et al., 2001; Oh et al., 2008; Ong and Fwa, 2010).However, the experimental method requires a lot of time and money because it requires the production of experimental equipment and requires a separate test site. Therefore, the study of analytical methods has been continuing (Saal, 1936; Martin, 1996; Eshel, 1967; Grog-ger and Weiss, 1996; ZminDak and Grajcia, 1997; Nakajima et al. Koishi et al., 2001; Oh et al., 2008; Ong and Fwa, 2010).

이러한 연구 중 그로거(Grogger)와 웨이스(Weiss)는 전산 유체 역학(CFD; Computational Fluid Dynamics)를 이용한 해석 방법을 처음 소개했다(Grogger and Weiss, 1996). 또한, 즈민닥(Zmindak)에 의해 유한요소법(FEM; Finite Element Method)을 이용한 수막현상의 해석 방법이 처음 소개되었다(ZminDak, 1997). 이후 나카지마(Nakajima), 오카노(Okano) 및 코이쉬(Koishi)는 상용 유한요소법(FEM) 코드인 엠에스씨. 다이트란(MSC. Dytran)을 이용하여 10mm 이상의 수막 두께에 대하여 수막현상을 해석하였지만(Nakajima et al., 2000), 물의 점성의 영향이 큰 10mm 이하의 수막 두께에 대한 해석이 요구되었다. 따라서 오카노(Okano) 및 코이쉬(Koishi)는 또 다른 상용 코드(code)인 엘에스-다이나(LS-DYNA)를 이용하여 물의 점성을 고려한 수막현상 시뮬레이션을 수행하였다(Okano and koishi, 2001).Among these studies, Grogger and Weiss first introduced an analytical method using computational fluid dynamics (CFD) (Grogger and Weiss, 1996). In addition, Zmindak introduced a finite element method (FEM) for the analysis of water film phenomena (ZminDak, 1997). Since Nakajima, Okano and Koishi are commercial finite element method (FEM) codes, The water film phenomenon was analyzed for a water film thickness of 10 mm or more using Dytran (MSC. Dytran) (Nakajima et al., 2000), but analysis of the water film thickness of less than 10 mm was required. Therefore, Okano and Koishi simulated water film phenomena in consideration of water viscosity using another commercial code, LS-DYNA (Okano and koishi, 2001).

그러나, 많은 수의 타이어 대한 라그랑지안(Lagrangian) 요소와 물에 대한 율러리안(Eulerian) 요소가 사용되고, 수막 두께 변화에 대하여 여러 번 시뮬레이션을 수행하기 때문에 오랜 해석시간이 소요된다. 따라서, 해석 시간을 줄일 수 있는 방법으로 수리모델(mathematical model)과 유한요소모델(FE model)을 이용하여 수막현상과 미끄럼 저항성을 연구하는 새로운 시뮬레이션 방법이 제안되었다(Oh and Jeong, 2008; Kim and Jeong, 2010; Ong and Fwa, 2010).However, a Lagrangian element for a large number of tires and an Eulerian element for water are used, and a long analysis time is required because the simulations are performed several times for changes in the thickness of the water film. Therefore, a new simulation method has been proposed to study hydrodynamic phenomenon and slip resistance using mathematical model and finite element model (FE model) as a way to reduce analysis time (Oh and Jeong, 2008; Jeong, 2010; Ong and Fwa, 2010).

특히, 오(Oh) 및 정(Jeong)은 브라운(Browne)의 수리적 모형(mathematical formulations)(Browne,1975)을 기초로 개발한 유한 차분법(FDM; Finite Difference Method) 코드와 유한 요소 타이어 모델(FE tire model)을 이용하여 수막현상 시뮬레이션 방법을 처음으로 제안했다.In particular, Oh and Jeong describe finite difference method (FDM) codes and finite element tire models developed based on Browne's mathematical formulations (Browne, 1975) FE tire model) for the first time.

이러한 수리적 모형(mathematical formulation)은 수막 두께가 얇을 때 특이행렬(illconditioned matrix)이 되기 때문에 점근(asymptotic) 방법을 제안하여 압력 분포(pressure distribution)와 부력(lift force)를 얻을 수 있었다. 또한, 엘에스-다이나(LS-DYNA)의 완전 유한 요소 시뮬레이션(full FE simulation) 방법을 이용하여 수막현상 시뮬레이션을 실시하고, 두 가지 시뮬레이션 방법에 대하여 비교하였다.Since this mathematical formulation becomes an illconditioned matrix when the thickness of the membrane is thin, we can obtain the pressure distribution and lift force by suggesting the asymptotic method. In addition, the simulation of the water film phenomenon was performed using the full FE simulation method of LS-DYNA and the two simulation methods were compared.

하지만, 유한 차분법 코드(FDM codes)를 이용한 해석방법의 경우 수리적 프로그래밍(mathematical programming)이 요구되기 때문에 복잡하고 일련의 반복적인 과정이 필요하다. 또한, 엘에스-다이나(LS-DYNA)를 이용한 시뮬레이션 방법에서 음의 부력(lift force)이 발생하는 비정상적인 경우가 발생하였고, 심한 진동(oscillation)으로 인하여 속력에 대한 수직항력을 명확하게 정의할 수 없었다.However, since the analysis method using FDM codes requires mathematical programming, a complicated series of repetitive processes is required. Also, in the simulation method using LS-DYNA, an abnormal case occurred in which a negative lift force occurred, and the vertical drag for the speed could not be clearly defined due to the oscillation .

이와 같이 여러 가지 방법을 이용하여 수막현상에 대한 해석적 연구가 진행되었다.In this way, several researches have been carried out on the hydrodynamic phenomenon.

하지만 위에서 언급한 해석적 연구의 대부분은 5mm 이상의 수막 두께에 대한 연구결과이므로 점성의 영향이 지배적인 매우 얇은 수막 두께(1mm 미만)의 영역을 고려하지 못한다. 특히, 엘에스-다이나(LS-DYNA)와 같은 상업적 익스플리시트 코드(commercial explicit code)를 이용한 외연적 해석 방법의 경우 물에 대한 많은 수의 율러리안(Eulerian) 요소가 사용될 뿐만 아니라, 1mm 미만의 수막 두께에 대한 매우 작은 요소 크기 때문에 상당한 해석 시간이 소요된다. 또한, 김(kim)과 정(Jeong)의 연구와 같이 복잡한 패턴 타이어(pattern tire)를 사용할 경우 물의 요소가 트레드 패턴(tread pattern) 보다 작은 크기를 가져야 하기 때문에 더 많은 해석시간이 소요되어 1mm 미만의 매우 얇은 수막 두께를 고려하여 해석결과를 얻기는 매우 어려운 일이다.However, most of the above-mentioned analytical studies do not take into account the very thin film thicknesses (less than 1 mm) dominated by viscous effects, as they are the result of studies on water-film thicknesses greater than 5 mm. In particular, in the case of the extensional analysis method using a commercial explicit code such as LS-DYNA, a large number of Eulerian elements for water are used, Lt; RTI ID = 0.0 > factor < / RTI > In addition, when using complex pattern tires such as those of Kim and Jeong, the water element must have a size smaller than that of the tread pattern, It is very difficult to obtain the analytical results considering the very thin thickness of the water film.

본 발명의 기술적 과제는, 얇은 수막에서의 수막현상에 대한 물리량을 쉽고 빠르게 얻을 수 있도록 유한요소와 예측방법을 이용하여 얇은 수막에서의 수막현상에 대한 물리량 획득 방법을 제공하는 것이다.A technical object of the present invention is to provide a method of acquiring a physical quantity for a water film phenomenon in a thin water film using a finite element and a prediction method so that a physical quantity for a water film phenomenon in a thin water film can be obtained easily and quickly.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 유한요소와 예측방법을 이용하여 얇은 수막에서의 수막현상에 대한 물리량 획득 방법은, 타이어와 수막에 대한 유한 요소 모델을 이용하여 제1 구간에 있는 적어도 2개의 수막 두께에 대한 주행속력 별 해석 물리량을 각각 얻는 단계; 상기 각각의 해석 물리량을 점근법을 통한 커브 피팅으로 수막 두께와 주행속력의 지수함수를 얻는 단계; 및 상기 지수함수를 이용하여 제2 구간에 있는 적어도 하나의 수막 두께에 대한 주행 속력 별 예측 물리량을 획득하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, a physical quantity acquisition method for a water film phenomenon in a thin water film by using a finite element and a prediction method according to an embodiment of the present invention is performed by using a finite element model for a tire and a water film, Obtaining an analytic physical quantity per driving speed with respect to at least two water film thicknesses; Obtaining an exponential function of the thickness of the water film and the running speed by curve fitting through the asymptotic method; And obtaining a prediction physical quantity per driving speed for at least one water film thickness in the second section using the exponential function.

상기 지수함수는 식(1)에 의해 정의될 수 있고, 상기 식(1)은 force = chavb 일 수 있다. 상기 식(1)에서, force는 물리량의 하나인 힘이고, h는 수막 두께이고, v는 주행 속력이고, a, b 및 c는 최소 자승법에 의해 결정되는 상수이다.The exponential function may be defined by equation (1), and equation (1) may be force = ch a v b . In the above equation (1), force is a force which is one of the physical quantities, h is the thickness of the water film, v is the running speed, and a, b and c are constants determined by the least squares method.

상기 타이어가 상기 수막 위를 회전하는 타이어 롤링 모델일 경우, 상기 해석 및 예측 물리량은 부력(lift force)일 수 있고, 상기 예측 물리량은 상기 식(1)에 의해 계산될 수 있으며, 그리고 상기 예측 물리량이 부력인 경우 상기 식(1)의 a, b 및 c는 부력에 대한 예측 솔루션의 상수로 최소 자승법을 이용하여 결정될 수 있다.When the tire is a tire rolling model rotating on the water film, the analysis and prediction physical quantity may be a lift force, and the prediction physical quantity may be calculated by the equation (1) In the case of buoyancy, a, b and c in the above equation (1) can be determined using the least squares method as a constant of the prediction solution for buoyancy.

상기 타이어가 상기 수막 위에서 미끄러지는 타이어 슬라이딩 모델일 경우, 상기 해석 및 예측 물리량은 견인력(traction force) 또는 항력(drag force)일 수 있고, 상기 견인력 또는 항력은 상기 식(1)에 의해 계산될 수 있고, 상기 예측 물리량이 견인력인 경우 상기 식(1)의 a, b 및 c는 견인력에 대한 예측 솔루션의 상수로 최소 자승법을 이용하여 결정될 수 있고, 상기 예측 물리량이 항력인 경우 상기 식(1)의 a, b 및 c는 항력에 대한 예측 솔루션의 상수로 최소 자승법을 이용하여 결정될 수 있다.In the case of a tire sliding model in which the tire slides on the water film, the interpretation and prediction physical quantity may be a traction force or drag force, and the traction force or drag force may be calculated by the equation (1) (1) where the predicted physical quantity is the traction force, a, b and c in the equation (1) can be determined using the least squares method as a constant of the prediction solution for the traction force, A, b, and c can be determined using the least squares method as a constant of the prediction solution for drag.

상기 수막 두께의 상기 제1 구간은 5mm 이상 일 수 있고, 상기 수막 두께의 상기 제2 구간은 5mm 미만일 수 있다.The first section of the water film thickness may be greater than or equal to 5 mm, and the second section of the water film thickness may be less than 5 mm.

상기 예측 물리량을 획득하는 단계는, 상기 예측 물리량으로 부력(lift force), 견인력(traction force) 및 항력(drag force)을 획득 한 후, 상기 부력, 상기 견인력 및 상기 항력을 이용하여 미끄럼 저항 값을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.The step of acquiring the predicted physical quantity may include obtaining a lift force, a traction force and a drag force with the predicted physical quantity and then calculating a slip resistance value using the buoyancy force, And a step of calculating.

상기 부력, 상기 견인력 및 상기 항력은 각각 상기 식(1)에 의해 획득될 수 있으며, 상기 부력인 경우 상기 식(1)의 a, b 및 c는 부력에 대한 예측 솔루션의 상수일 있고, 상기 견인력인 경우 상기 식(1)의 a, b 및 c는 견인력에 대한 예측 솔루션의 상수일 수 있으며, 그리고 상기 항력인 경우 상기 식(1)의 a, b 및 c는 항력에 대한 예측 솔루션의 상수일 수 있다.The buoyancy force, the traction force and the drag force can be obtained by the equation (1), respectively, and in the case of the buoyancy, a, b and c of the equation (1) are constants of the prediction solution for buoyancy, A, b, and c in equation (1) above can be constants of the predictive solution for the traction force and a, b, and c in equation (1) .

상기 미끄럼 저항 값은 식(2)에 의해 계산될 수 있고, 상기 식(2)는 The slip resistance value can be calculated by the equation (2), and the equation (2)

Figure 112013071960517-pat00001
일 수 있다. 상기 식(2)에서, SNv는 미끄럼 저항 값이고, Fx은 타이어에 작용하는 수평 저항력으로 상기 견인력과 상기 항력의 합과 같고, Fz은 수직 하중으로 타이어와 노면 사이의 접촉력과 부력의 차이와 같다.
Figure 112013071960517-pat00001
Lt; / RTI > (2), SN v is a slip resistance value, F x is a horizontal resistance force acting on the tire, equal to the sum of the pulling force and the drag force, F z is a vertical load, The difference is the same.

상기 주행속력이 증가할수록 상기 타이어와 상기 노면 사이의 미끄럼 마찰계수를 감소시킬 수 있다.As the running speed increases, the sliding friction coefficient between the tire and the road surface can be reduced.

이상에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유한요소와 예측방법을 이용하여 얇은 수막에서의 수막현상에 대한 물리량 획득 방법은 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.As described above, by using the finite element and the prediction method according to the embodiment of the present invention, the physical quantity acquisition method for the water film phenomenon in the thin water film can have the following effects.

본 발명의 실시예에 의하면, 유한 요소 모델을 이용하여 제1 구간에 있는 수막 두께에 대해 획득한 수막 현상에 대한 해석 물리량으로부터 지수 함수를 얻은 후 이 지수 함수를 이용하여 제2 구간에 있는 수막 두께에서의 예측 물리량을 얻는 기술구성을 가지므로, 지수 함수를 통해 얇은 수막에서의 수막현상에 대한 물리량을 쉽고 빠르게 얻을 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the exponential function is obtained from the analytical physical quantity of the water film phenomenon acquired for the thickness of the water film in the first section by using the finite element model, and then the water film thickness The physical quantity of the water film phenomenon in the thin water film can be easily and quickly obtained through the exponential function.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 얇은 수막에서의 수막현상에 대한 물리량 획득 방법 중 수막현상 시뮬레이션을 위한 유한 요소 모델을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 해석 시간을 늘리지 않으면서도 가압, 하중, 가속의 과정을 조절하여 개선된 거동을 나타낸 시간에 대한 그래프이다.
도 3은 수막 두께에 대한 주행속력 별 부력(Lift force)을 나타낸 그래프이다.
도 4는 2.5mm의 수막 두께에 대한 주행속력 별 부력을 나타낸 것으로 유한 요소 모델을 통한 해석에 의한 부력과 지수함수를 통한 예측에 의해 부력을 비교한 그래프이다.
도 5a는 수막 두께에 대한 주행속력 별 견인력(Traction force)을 나타낸 그래프이다.
도 5b는 수막 두께에 대한 주행속력 별 항력(Drag force)을 나타낸 그래프이다.
도 6a는 2.5mm의 수막 두께에 대한 주행속력 별 견인력을 나타낸 것으로 유한 요소 모델을 통한 해석에 의한 견인력과 지수함수를 통한 예측에 의해 견인력을 비교한 그래프이다.
도 6b는 2.5mm의 수막 두께에 대한 주행속력 별 항력을 나타낸 것으로 유한 요소 모델을 통한 해석에 의한 항력과 지수함수를 통한 예측에 의해 항력을 비교한 그래프이다.
도 7a는 0.5mm의 수막 두께에 대한 주행속력 별 견인력을 나타낸 것으로 지수함수를 통한 예측에 의한 견인력을 나타낸 그래프이다.
도 7b는 0.5mm의 수막 두께에 대한 주행속력 별 항력을 나타낸 것으로 지수함수를 통한 예측에 의한 항력을 나타낸 그래프이다.
도 8a는 주행 속력에 대한 미끄럼 저항 값(SN)을 나타낸 것으로, 장비를 통해 측정된 미끄럼 저항 값과 마찰계수의 변화를 고려하지 않은 상태에서 식을 통해 계산된 미끄럼 저항값을 비교한 그래프이다.
도 8b는 주행 속력에 대한 미끄럼 저항 값(SN)을 나타낸 것으로, 장비를 통해 측정된 미끄럼 저항 값과 마찰계수의 변화를 고려한 상태에서 식을 통해 계산된 미끄럼 저항값을 비교한 그래프이다.
FIG. 1 is a schematic view of a finite element model for simulation of a water film phenomenon among a physical quantity acquisition method for a water film phenomenon in a thin water film according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph of time showing improved behavior by controlling the process of pressurization, load, and acceleration without increasing the analysis time.
3 is a graph showing the lift force according to the running speed with respect to the water film thickness.
FIG. 4 is a graph showing the buoyancy of a 2.5 mm water film thickness according to the running speed, and comparing the buoyancy by the buoyancy analysis with the finite element model and the prediction through the exponential function.
FIG. 5A is a graph showing the traction force by the running speed with respect to the thickness of the water film.
5B is a graph showing the drag force according to the running speed with respect to the thickness of the water film.
FIG. 6A is a graph showing the traction force of the running speed for a 2.5 mm water film thickness, and comparing the traction force by the finite element model and the traction force by the prediction through the exponential function.
FIG. 6B is a graph showing the drag force according to driving speed for a 2.5 mm water film thickness, and comparing the drag force by prediction through the drag and exponential function by the analysis through the finite element model.
FIG. 7A is a graph showing the traction force by the driving speed with respect to the thickness of the water film of 0.5 mm, which is predicted by the exponential function.
FIG. 7B is a graph showing the drag according to the running speed with respect to the thickness of the water film of 0.5 mm, which is the drag due to the prediction through the exponential function.
8A is a graph showing a slip resistance value (SN) versus running speed, which is a graph comparing the slip resistance values calculated by the equation without considering the slip resistance values and the friction coefficient changes measured through the equipment.
8B is a graph showing a slip resistance value (SN) with respect to the running speed, which is a graph comparing the slip resistance values calculated through the equation in consideration of the slip resistance value and the friction coefficient variation measured through the equipment.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 얇은 수막에서의 수막현상에 대한 물리량 획득 방법 중 수막현상 시뮬레이션을 위한 유한 요소 모델을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 해석 시간을 늘리지 않으면서도 가압, 하중, 가속의 과정을 조절하여 개선된 거동을 나타낸 시간에 대한 그래프이다.FIG. 1 is a schematic view of a finite element model for a water film phenomenon simulation in a physical quantity acquisition method for a water film phenomenon in a thin water film according to an embodiment of the present invention. FIG. , And the graph showing the time when the acceleration process is controlled to show the improved behavior.

도 3은 수막 두께에 대한 주행속력 별 부력(Lift force)을 나타낸 그래프이고, 도 4는 2.5mm의 수막 두께에 대한 주행속력 별 부력을 나타낸 것으로 유한 요소 모델을 통한 해석에 의한 부력과 지수함수를 통한 예측에 의해 부력을 비교한 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing the lift force according to the running speed with respect to the water film thickness, and FIG. 4 is a graph showing the buoyancy of the running speed with respect to the water film thickness of 2.5 mm. This is a graph comparing the buoyancy by the prediction through.

도 5a는 수막 두께에 대한 주행속력 별 견인력(Traction force)을 나타낸 그래프이고, 도 5b는 수막 두께에 대한 주행속력 별 항력(Drag force)을 나타낸 그래프이다.FIG. 5A is a graph showing a traction force with respect to a water film thickness, and FIG. 5B is a graph showing a drag force according to a running speed with respect to a water film thickness.

도 6a는 2.5mm의 수막 두께에 대한 주행속력 별 견인력을 나타낸 것으로 유한 요소 모델을 통한 해석에 의한 견인력과 지수함수를 통한 예측에 의해 견인력을 비교한 그래프이고, 도 6b는 2.5mm의 수막 두께에 대한 주행속력 별 항력을 나타낸 것으로 유한 요소 모델을 통한 해석에 의한 항력과 지수함수를 통한 예측에 의해 항력을 비교한 그래프이다.FIG. 6A is a graph showing the pulling force of a 2.5 mm water film thickness according to the running speed, which is a comparison of the traction force by an analysis through a finite element model and a prediction by an exponential function. FIG. It is a graph comparing the drag force by the prediction by the drag and exponential function by the analysis through the finite element model.

도 7a는 0.5mm의 수막 두께에 대한 주행속력 별 견인력을 나타낸 것으로 지수함수를 통한 예측에 의한 견인력을 나타낸 그래프이고, 도 7b는 0.5mm의 수막 두께에 대한 주행속력 별 항력을 나타낸 것으로 지수함수를 통한 예측에 의한 항력을 나타낸 그래프이다.FIG. 7A is a graph showing the traction force by the predicted value through the exponential function, and FIG. 7B is a graph showing the drag force according to the running speed with respect to the thickness of the water film of 0.5 mm. Which is a graph showing the drag due to the predicted through.

도 8a는 주행 속력에 대한 미끄럼 저항 값(SN)을 나타낸 것으로, 장비를 통해 측정된 미끄럼 저항 값과 마찰계수의 변화를 고려하지 않은 상태에서 식을 통해 계산된 미끄럼 저항값을 비교한 그래프이고, 도 8b는 주행 속력에 대한 미끄럼 저항 값(SN)을 나타낸 것으로, 장비를 통해 측정된 미끄럼 저항 값과 마찰계수의 변화를 고려한 상태에서 식을 통해 계산된 미끄럼 저항값을 비교한 그래프이다.8A is a graph showing a slip resistance value (SN) versus running speed, which is a graph comparing the slip resistance values calculated through the equation without considering the slip resistance values and the friction coefficient changes measured through the equipment, 8B is a graph showing a slip resistance value (SN) with respect to the running speed, which is a graph comparing the slip resistance values calculated through the equation in consideration of the slip resistance value and the friction coefficient variation measured through the equipment.

이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유한요소와 예측방법을 이용하여 얇은 수막에서의 수막현상에 대한 물리량 획득 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of acquiring a physical quantity for a water film phenomenon in a thin water film using a finite element and a prediction method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 8. FIG.

최근 미끄럼 저항 관련 연구에서는 5mm 미만의 수막 두께 변화에 대한 미끄럼 저항 값의 변화는 5mm에서 10mm 사이의 수막 두께보다 더 큰 변화를 보이고 있다(Ong and Fwa, 2010). 또한, 많은 나라에서 사용하고 있는 미국재료시험협회(ASTM; American Society for Testing and Materials, 이하 "ASTM"이라 함) E274 시험방법의 경우 1mm 이하의 수막 두께를 갖는 물의 양을 사용하여 미끄럼 저항 시험을 수행하고 있다.Recent research on slip resistance has shown that the change in the slip resistance for changes in water thickness less than 5 mm is greater than the water thickness between 5 mm and 10 mm (Ong and Fwa, 2010). In addition, in the case of the ASTM test method (ASTM) E274, which is used in many countries, the amount of water having a water film thickness of 1 mm or less is used to perform a sliding resistance test .

따라서, 본 발명에서는 엘에스-다이나(LS-DYNA)를 이용한 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation) 방법으로 5mm, 7.5mm, 10mm 의 수막 두께에 대하여 수막현상 시뮬레이션을 수행하고, 오 등(Oh et al.)이 제안한 점근(asymptotic) 방법을 이용하여 2.5mm 의 얇은 수막 두께에 대한 주행 속력 별 부력(lift force)를 얻을 수 있었다. 이렇게 얻은 결과를 2.5mm 의 수막 두께에 대하여 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation) 방법으로 얻은 결과와 비교함으로써 점근(asymptotic) 방법의 정확성을 검증하였다.Therefore, in the present invention, a full-FE simulation method using LS-DYNA is used to simulate the water film phenomenon for the thicknesses of 5 mm, 7.5 mm, and 10 mm, and Oh et al. The lift force for each 2.5mm thin film thickness was obtained by using the asymptotic method proposed in this paper. The accuracy of the asymptotic method was verified by comparing the obtained results with the results obtained by the full FE simulation method for the thickness of 2.5 mm.

게다가, 엘에스-다이나 타이어 슬라이딩 모델(LS-DYNA tire sliding model)을 이용한 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation) 방법과 예측 방법(Estimation Method)을 이용하여 1mm 미만의 매우 얇은 수막 두께에 대하여 미끄럼 저항을 예측하였다. 따라서, ASTM E274 미끄럼 저항 측정 방법을 모사하기 위해 타이어 슬라이딩 모델(tire sliding model)을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였고, 이를 통해 타이어와 노면 사이의 접촉면에서 발생하는 견인력(traction force)과 물의 동압에 의해 타이어에 발생하는 항력(drag force)을 얻을 수 있었다. 즉, 주행속력이 증가할수록 타이어와 노면 사이의 마찰력이 점차적으로 감소하는 해석 결과를 얻을 수 있다. 이렇게 얻은 결과를 차륜 하중으로 나누어 미끄럼 저항 값인 스키드 넘버(SN; Skid Number)을 구하였고, ASTM E274 장비를 이용한 시험결과와 비교하였다. 이하, 상술한 물리량 획득 방법에 대해 보다 상세히 설명한다.
In addition, using a full FE simulation method and an Estimation Method using the LS-DYNA tire sliding model, the sliding resistance against a very thin film thickness of less than 1 mm Respectively. Therefore, in order to simulate the ASTM E274 slip resistance measurement method, a simulation was carried out using a tire sliding model. Through the traction force generated at the contact surface between the tire and the road surface and the dynamic pressure of the water, A drag force is generated in the contact surface. That is, as the driving speed increases, the frictional force between the tire and the road surface gradually decreases. The skid number (SN), which is the skid resistance value, was obtained by dividing the obtained result by the wheel load and compared with the test result using the ASTM E274 equipment. Hereinafter, the above-described physical quantity obtaining method will be described in more detail.

1. 엘에스-다이나(LS-DYNA, 이하 "LS-DYNA"라 함)를 사용한 방법론1. Methodology using LS-DYNA (hereinafter referred to as "LS-DYNA")

LS-DYNA를 이용하여 수막현상을 시뮬레이션하기 위해 타이어는 라그랑지안 요소(Lagrangian elements)로 이루어진 유한요소법(FEM; Finite Element Method)으로 모델링되었고, 수막은 율러리안 요소(Eulerian elements)로 이루어진 유한체적법(FVM; Finite Volume Method)으로 모델링되었다. 따라서, 두 종류의 요소 사이에 변형과 압력을 전달하기 위한 결합 함수(Coupling function)가 필요하다. 본 발명에서는 타이어와 유체의 결합 함수(coupled problem)를 다루기 위해 LS-DYNA 의 다중-물질 에이엘이 모형[Multi-material ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian) formulations]을 사용하여 수막현상을 시뮬레이션하였다(Olovsson and Souli, 2000; Okano and Koishi, 2001).
In order to simulate the hydrodynamic phenomenon using LS-DYNA, the tires were modeled by finite element method (FEM) consisting of Lagrangian elements and the meniscus was modeled by finite volume method consisting of Eulerian elements (FVM; Finite Volume Method). Therefore, a coupling function is required to transmit strain and pressure between two kinds of elements. In the present invention, a water-film phenomenon was simulated using LS-DYNA's multi-material ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) formulations to deal with the tire-fluid coupling problem (Olovsson and Souli, 2000, Okano and Koishi, 2001).

1.1. 수막현상 시뮬레이션의 유한 요소 모델(FE model of hydroplaning simulation)1.1. FE model of hydroplaning simulation of water film phenomenon simulation

본 발명에서 사용된 수막현상 시뮬레이션 모델은 도 1에서 보여지듯이 강체(rigid body)로 모델링되고 제로 마이크로 질감(zero micro texture)를 가진 매끄러운 평면(smooth plane surface)과 ASTM E501-08 미끄럼 저항 시험 표준 리브 타이어(Rib tire)를 기초로 모델링된 타이어 모델을 사용하였다. 따라서, 수막현상 시뮬레이션 타이어 모델은 G78-15 튜블리스 타입(tubeless type)으로 모델링 되었고, 내압이 가해졌을 때 148.6mm의 타이어 트레드(tread) 폭과 393.7mm의 횡단면 반지름(cross sectional radius)으로 이루어져있다. 또한, 타이어 모델은 각각 16.8mm를 갖는 일곱 개의 플레인 리브(seven plain ribs)와 5.08mm를 갖는 여섯 개의 스트레이트 그루브(six straight grooves)를 가지고, 각각의 그루브(groove)는 9.8mm의 스키드 깊이(skid depth)와 2.5mm의 언더-트레드 두께(under-tread thickness)를 가진다(ASTM E501-08).The simulation model of the water film phenomenon used in the present invention is a smooth plane surface modeled as a rigid body and having a zero micro texture as shown in FIG. 1 and a smooth plane surface having a zero micro texture, and ASTM E501-08 slip resistance test standard ribs A tire model modeled on a tire (Rib tire) was used. Therefore, the water film simulation simulated tire model was modeled as a G78-15 tubeless type and consisted of a tire tread width of 148.6mm and a cross sectional radius of 393.7mm when the internal pressure was applied . The tire model also has seven plain ribs with 16.8 mm each and six straight grooves with 5.08 mm, each groove having a skid depth of 9.8 mm depth and an under-tread thickness of 2.5 mm (ASTM E501-08).

타이어는 벨트, 카카스(carcass), 트레드, 비드 등의 다양한 부분으로 구성된 복합재료이고, 이들 중 벨트는 높은 탄성율(high elastic modulus)을 가지며 얇은 복합재료이다. 만약 이것을 연속 요소(continuum element)를 사용하여 모델링 한다면, 시간-증분(time-increment)를 감소시켜 해석시간을 증가시키게 된다. 따라서, 벨트와 같이 얇은 복합재료는 다중 층 쉘 요소(multi-layered shell elements)를 이용하여 모델링 하였다. 그리고 비드 코어(bead core)도 높은 탄성율을 갖고 있기 때문에 해석 시간을 단축시키기 위해 강체로 모델링 하였고, 비드 코어(bead core)의 참조 노드(reference node)에 타이어가 진행하는 방향과 그것의 수직방향으로 각각 속력과 수직하중을 적용하였다.Tires are composite materials composed of various parts such as belts, carcass, treads, and beads, and belts are thin composite materials with high elastic modulus. If this is modeled using a continuum element, the time-increment is reduced to increase the analysis time. Thus, thin composite materials such as belts were modeled using multi-layered shell elements. Since the bead core has a high modulus of elasticity, it is modeled as a rigid body to shorten the analysis time, and the reference node of the bead core is moved in the direction The speed and vertical load were applied respectively.

수막 모델은 노면 위에 유동 가능한 범위에 8-노드 솔리드 요소(8-nodes solid elements)를 사용하여 율러리안 요소(Eulerian elements)를 만든 후, 원하는 수막 두께만큼을 선택하여 물의 물성을 주고, 나머지 부분은 "보이드(Void)" 라고 불리는 비어 있는 요소로 구성하여 물이 유동할 수 있도록 모델링 하였다. 물의 밀도(density)와 점도(viscosity)는 각각 998 kg/m3, 1.002 × 10-3 Ns/m3 이라고 가정하였다.The water-film model uses 8-node solid elements to create Eulerian elements in a range that can be flowed on the road surface, Was modeled as an empty element called "Void " to allow water to flow. The density and viscosity of water were assumed to be 998 kg / m 3 and 1.002 × 10 -3 Ns / m 3 , respectively.

수막 모델은 수치상 정확도(numerical accuracy)를 높이고 해석 시간을 줄이기 위해, 타이어와 접촉하는 부분의 요소는 균등하게 작은 크기로 분할하였고, 접촉면에서 멀어질수록 요소의 크기가 증가하도록 모델링하였다. 타이어 부분과 만나는 가장 작은 크기의 수막 요소는 진행방향으로 40mm, 폭 방향으로 2mm, 높이 방향으로 2.5mm 이다. 타이어에 사용된 총 요소수는 30,800 개이고, 수막 모델에 사용된 총 요소 수는 143,400 개이다.
In order to increase the numerical accuracy and reduce the analysis time, the hydrodynamic model is divided into small parts evenly in contact with the tire, and the element size is increased as the distance from the contact surface increases. The smallest element of the water element that meets the tire section is 40mm in the traveling direction, 2mm in the width direction, and 2.5mm in the height direction. The total number of elements used in tires is 30,800, and the total number of elements used in the hydro-model is 143,400.

1.2 수막현상 시뮬레이션 방법 [타이어 롤링 모델(tire rolling model) 및 타이어 슬라이딩 모델(tire sliding model)]1.2 Method for simulating the hydrodynamic phenomenon [tire rolling model and tire sliding model]

몇 개의 지난 연구에서 타이어는 제자리에서 회전하고 물과 노면이 타이어 진행 반대방향으로 흘러 들어오는 모델을 이용하였다(Okano and Koishi, 2001; Oh et al., 2008). 이러한 수막현상 시뮬레이션 모델을 사용할 경우, 물의 요소 수가 감소하여 해석 시간을 크게 줄일 수 있다. 하지만 실제 현상과 다르게 타이어의 속력이 물과 노면의 속력과 동일하기 때문에 타이어와 노면 사이의 마찰력을 제대로 고려할 수 없다. 따라서, 본 발명에서는 타이어가 수막이 깔린 노면 위를 수막 속력이 발생할 때까지 주행하는 시뮬레이션 모델을 사용하였다(Nakajima, 2000; Huebner et al., 1986; Janajreh et al., 2001). 본 발명에서는 이 모델을 타이어 롤링 모델(tire rolling mode) 이라고 명명하였다.Several previous studies have used a model in which tires rotate in place and water and road surface flow in opposite directions (Okano and Koishi, 2001; Oh et al., 2008). Using this simulation model of water film phenomenon, the number of water elements can be reduced and the analysis time can be greatly reduced. However, unlike the actual phenomenon, the speed of the tire is the same as that of the water and the road surface, so the friction between the tire and the road surface can not be considered properly. Therefore, in the present invention, a simulation model is used in which a tire runs on a road surface with a water film until a water speed is generated (Nakajima, 2000; Huebner et al., 1986; Janajreh et al., 2001). In the present invention, this model is called a tire rolling mode.

하지만, ASTM E274(Pavement Friction Tester)인 미끄럼 저항 측정장비의 시험 결과와 비교하기 위해서는 타이어의 회전을 구속한 상태에서 타이어가 노면 위에 미끄러지는 것을 허용하는 모델(model)을 사용해야 한다. 즉, ASTM E274 장비의 측정원리는 주행하는 트레일러(trailer)의 타이어에 일정한 양의 물을 분사시키면서 제동을 주어 타이어와 노면 사이의 마찰력을 얻고, 이를 유효 차륜 하중으로 나눈 후 여기에 100을 곱하여 미끄럼 저항인 스키드 넘버(SN; skid number)값을 결정한다.However, to compare with the test results of the ASTM E274 (Pavement Friction Tester) slip resistance measuring device, a model that allows the tire to slide on the road surface while restricting the rotation of the tire should be used. In other words, the principle of ASTM E274 is to measure the friction force between the tire and the road surface by injecting a certain amount of water into the tire of the trailer while dividing it by the effective wheel load, And determines a skid number (SN) value as a resistance.

따라서, 본 발명에서는 두 가지 수막현상 시뮬레이션 모델을 사용하였다. 즉, 비드 코어(bead core) 요소의 참조 노드(reference node)에 타이어가 진행하는 방향으로 속력을 부여하고 물이 있는 노면 위를 회전하여 주행하는 타이어 롤링 모델(tire rolling model)과 타이어의 회전을 구속하여 노면 위를 미끄러지면서 주행하는 타이어 슬라이딩 모델(tire sliding model)을 사용하였다.Therefore, in the present invention, two simulation models of water film phenomena were used. That is, a tire rolling model in which a reference node of a bead core element is provided with a speed in a direction in which the tire advances, a tire rolling model that rotates on a water surface, And a tire sliding model that travels while restraining and resting on the road surface is used.

타이어의 회전을 구속하여 주행하는 타이어 슬라이딩(tire sliding) 해석 모델은, 일시적인 제동을 주어 노면과의 접촉면에서 발생하는 마찰력을 측정하는 ASTM E274(Pavement Friction Tester) 장비의 시험방법과 동일하게 해석할 수 있다.
The tire sliding analysis model that restrains the rotation of the tire can be interpreted in the same way as the test method of ASTM E274 (Pavement Friction Tester) which measures the frictional force generated on the contact surface with the road surface by applying the temporary braking have.

1.3 하중 및 속력 시간 히스토리(1.3 Load and Speed Time History ( LoadingLoading andand speedspeed timetime historieshistories ))

10mm 수막 두께에 대하여 수막현상 시뮬레이션을 수행할 경우, 시간 증분(time increment)은 대략 1 × 10-6 sec 이다. 따라서, 수막현상 시뮬레이션은 상당히 긴 해석 시간을 소요하기 때문에 효율적으로 해석을 수행하기 위해서는 아주 짧은 시간 안에 타이어에 내압을 가하고, 하중을 주고 가속을 하도록 설정할 수 밖에 없다(Oh et al., 2008). 이러한 과정에서 타이어가 상당히 요동치게 되는데 도 2에 나타낸 것과 같이 해석시간을 늘리지 않으면서 가압, 하중, 가속의 과정을 적절히 조절하여 개선된 거동을 얻을 수 있었다.When a water film development simulation is performed for a 10 mm water film thickness, the time increment is approximately 1 × 10 -6 sec. Therefore, the simulation of the water film phenomenon requires a long analysis time. Therefore, in order to perform the analysis efficiently, it is only necessary to set the internal pressure of the tire in a very short time, accelerate the load, and accelerate it (Oh et al. In this process, the tire is considerably oscillated. As shown in FIG. 2, the improved behavior can be obtained by appropriately adjusting the pressurization, load and acceleration processes without increasing the analysis time.

이 때 사용한 내압과 수직하중은 각각 165kPa, 4826N(ASTME274)이며, 타이어의 주행속력은 0~140km/h까지 일정하게 증가시켰다. 하나의 수막 두께에 대한 해석에는 3.06GHz CPU speed and 12GB memory 컴퓨터로 약 23 시간이 소요된다.
The internal pressure and the vertical load were 165kPa and 4826N (ASTME274), respectively, and the running speed of the tire was constantly increased from 0 to 140km / h. The interpretation of a single film thickness takes about 23 hours with 3.06GHz CPU speed and 12GB memory computer.

2. 예측 방법(Estimation Method)2. Estimation Method

LS-DYNA를 이용하여 수막현상 시뮬레이션(simulation)을 수행할 경우 많은 수의 타이어에 대한 라그랑지안(Lagrangian) 요소와 물에 대한 율러리안(Eulerian) 요소가 사용된다. 특히, 실제 현상을 잘 모사할 수 있는 타이어 롤링(tire rolling) 방법은 물을 모델하기 위한 많은 수의 율러리안 요소가 사용되기 때문에 오랜 해석시간이 소요된다.Lagrangian elements for a large number of tires and Eulerian elements for water are used when simulating hydro-film phenomena using LS-DYNA. In particular, the tire rolling method, which can simulate actual phenomena well, requires a long analysis time because a large number of elliptical elements are used to model the water.

또한, 1mm 미만의 매우 얇은 수막 두께에 대하여 완전 유한 요소(Full FE) 수막현상 시뮬레이션을 실시할 경우 매우 작은 율러리안 요소를 사용해야 하기 때문에 대략 150 시간 이상의 해석 시간이 소요된다. 게다가, 수막 두께가 다를 경우 각각의 수막 두께에 대한 시뮬레이션 모델이 필요하고, 여러 번 시뮬레이션을 수행해야 하기 때문에 해석시간을 줄일 수 있는 합당한 방법이 절실히 필요하다.In addition, for a very thin water film thickness of less than 1 mm, a full FE simulation of a water film phenomenon requires a very small elliptical element, so it takes about 150 hours of analysis time. In addition, if the thickness of the water film is different, a simulation model for each water film thickness is required, and a proper method for reducing the analysis time is needed because the simulation must be performed several times.

따라서, 본 발명에서는 오(Oh) 및 정(Jeong)의 연구에서 처음으로 제안한 점근(asymptotic) 방법을 적용하여 타이어의 수막 해석시간을 단축할 수 있었다(Oh and Jeong, 2008).Therefore, in the present invention, the asymptotic method first proposed in Oh and Jeong's research can be applied to shorten the time required for the water film analysis (Oh and Jeong, 2008).

우선, LS-DYNA를 이용하여 5mm, 7.5mm 그리고 10mm 의 3 가지 수막 두께에 대하여 수막현상 시뮬레이션을 수행한 후 주행속력 별 부력(lift force)을 얻을 수 있다. 이렇게 얻은 부력(lift force)을 도 3에 나타낸 것과 같이 커브 피팅(curve fitting)하여 식 (1)과 같이 수막 두께와 속력의 지수함수로서 부력(lift force)을 나타내는 것이 가능하다.First, using LS-DYNA, we can simulate the water film phenomenon for the three water film thicknesses of 5mm, 7.5mm and 10mm, and then obtain the lift force for each driving speed. It is possible to show the lift force as an exponential function of the thickness of the water film and the speed as shown in Equation (1) by curve fitting the lift force thus obtained as shown in Fig.

Figure 112013071960517-pat00002
(1)
Figure 112013071960517-pat00002
(One)

여기서 h는 수막 두께고, v는 주행속력이다. 수직항력에 대한 예측 솔루션(Estimation solution)의 상수 a, b, c는 최소 자승법을 이용하여 쉽게 결정할 수 있는데, 각각 0.576, 1.98, 0.182이다. 하지만, 이 상수들은 도로, 타이어의 구조와 형상에 따라 다르다. 따라서, 식 (1)을 이용하여 2.5mm의 수막 두께에 대한 부력(lift force)을 쉽게 얻을 수 있었다. 그 결과를 LS-DYNA 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation) 방법을 이용하여 2.5mm 수막 두께에 대하여 얻은 부력(lift force)과 비교, 검증하기 위해 도 4에 나타내었다. 점선은 예측 방법(Estimation method)을 이용하여 얻은 예측결과이고, 실선은 완전 유한 요소 시뮬레이션(full FE simulation) 방법으로 얻은 해석결과이다. 두 결과는 주행 속력이 증가할수록 부력(lift force) 값의 변화가 매우 유사하여 예측 방법(Estimation method)을 이용하여 얻은 부력(lift force)이 합당한 결과라는 것을 알 수 있다.Where h is the thickness of the water film and v is the running speed. The constants a, b, and c of the prediction solution for the vertical drag can be easily determined using the least squares method, which are 0.576, 1.98, and 0.182, respectively. However, these constants depend on the structure and shape of roads and tires. Therefore, using the equation (1), a lift force for a water film thickness of 2.5 mm was easily obtained. The results are shown in FIG. 4 for comparison and verification with the lift force obtained for 2.5 mm membrane thickness using the LS-DYNA full FE simulation method. The dotted line is the prediction result obtained by the estimation method (Estimation method), and the solid line is the analysis result obtained by the full FE simulation method. The two results show that the lift force obtained by using the estimation method is a reasonable result because the change of the lift force value is very similar as the driving speed increases.

또한, 정량적으로 해석결과와 예측결과의 정확성을 알아보기 위해 자승화 비[Ratio of sum of squares (R2)]로 나타내었고, 0.952의 (R2)를 얻을 수 있었다. R2가 1에 매우 가깝기 때문에 예측 방법(Estimation method)을 이용하여 얻은 예측결과는 해석 결과와 매우 유사하다고 말할 수 있다. 그러므로, 수막 두께와 주행속력의 지수함수로 나타낸 예측 방법(Estimation method)을 이용하여 다양한 수막 두께, 특별히 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation)을 수행할 경우 많은 해석시간이 요구되는 매우 얇은 수막 두께(예를 들어 1mm 혹은 그 이하) 또는 다양한 주행 속력에 대하여 부력(lift force)을 쉽게 예측할 수 있다.
In order to obtain the accuracy of the analytical results and the prediction results quantitatively, the Ratio of sum of squares (R2) was obtained, and R2 of 0.952 was obtained. Since R2 is very close to 1, it can be said that the prediction results obtained using the estimation method are very similar to the analysis results. Therefore, very thin film thicknesses, which require a lot of analysis time when performing various FE thickness simulations (Full FE simulation) using Estimation method, which is an exponential function of water film thickness and running speed, For example 1 mm or less) or for various driving speeds.

3. 시뮬레이션 결과(Simulation Result)3. Simulation Result

ASTM E274(Pavement Friction Tester) 시험 방법은 주행속력 65km/h에서 물 분사량 600mL/min.mm 를 규정하여 0.5mm의 수막 두께를 사용한다(ASTM E274, Ong and Fwa, 2010). 또한, 차량에 분사되는 살수층 너비의 mm 당 물의 양은 주행속력에 정비례하기 때문에 주행속력 변화에 관계없이 일정한 수막 두께를 유지한다(ASTM E274). 따라서, 본 발명에서는 임의의 주행속력에서 측정 바퀴에 제동을 걸었을 때 타이어와 노면의 마찰력을 얻기 위한 방법으로 0.5mm 일정한 수막 두께에서 타이어 슬라이딩 모델(tire sliding model)을 이용하여 미끄럼 저항 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 예측(Estimation) 방법을 이용하여 40km/h, 60km/h, 80km/h의 주행 속력 변화에 대한 미끄럼 저항값 SN(Skid Number)의 변화를 확인해보았다. The ASTM E274 (Pavement Friction Tester) test method uses a water film thickness of 0.5 mm (ASTM E274, Ong and Fwa, 2010) with a water injection rate of 600 mL / min.mm at a running speed of 65 km / h. Also, since the amount of water per mm of spraying width sprayed on the vehicle is directly proportional to the running speed, it maintains a constant water film thickness regardless of the speed change (ASTM E274). Therefore, in the present invention, a sliding resistance simulation is performed using a tire sliding model at a constant thickness of 0.5 mm as a method for obtaining the frictional force between the tire and the road surface when the measuring wheel is braked at an arbitrary running speed Respectively. In addition, the change of the slip resistance value SN (skid number) with respect to the running speed change of 40 km / h, 60 km / h and 80 km / h was confirmed by using the estimation method.

우선, 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation) 방법으로 5mm, 7.5mm, 10mm의 수막 두께에 대하여 타이어와 노면 사이에서 발생하는 견인력(traction force)과 물의 동압에 의해 타이어에 발생하는 항력(drag force)을 얻을 수 있었다. 이 해석 모델에 사용된 타이어와 노면 사이의 동 마찰계수는 특정한 젖은 도로표면에서 ASTM E274(Pavement Friction Tester) 장비를 이용하여 40km/h, 60km/h, 80Km/h의 속력에서 얻어진 평균 동 마찰계수 0.51을 사용하였다(Lee, 2010). 이렇게 얻은 결과를 도 5a 및 도 5b와 같이 에러(error)가 최소가 되도록 커브 피팅(curve fitting)하여 주행속력과 수막 두께의 함수로 나타낼 수 있다.First, a full FE simulation method is used to estimate the drag force generated on the tire by the traction force generated between the tire and the road surface and the dynamic pressure of the water for 5 mm, 7.5 mm, . The coefficient of dynamic friction between the tire and the road surface used in this analytical model was calculated from the mean dynamic friction coefficient obtained at a speed of 40 km / h, 60 km / h, and 80 km / h using ASTM E274 (Pavement Friction Tester) 0.51 was used (Lee, 2010). The result thus obtained can be expressed as a function of the running speed and the thickness of the water film by curve fitting to minimize the error as shown in FIGS. 5A and 5B.

도 6a 및 도 6b는 수막 두께 2.5mm 에 대한 견인력(traction force) 과 항력(drag force)을 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation) 방법으로 얻은 해석결과와 예측(Estimation) 방법으로 얻은 예측결과를 비교한 것이다. 이 때 사용된 예측 솔루션(Estimation solution)의 상수 a, b, c는 견인력(traction force)에 대하여 0.545, 1.82, 0.150 이고, 항력(drag force)에 대하여 0.937, 1.24, 0.223이다. 따라서, 타이어 슬라이딩 모델(tire sliding model)을 이용한 견인력(traction force)과 항력(drag force)은 타이어 롤링 모델(tire rolling model)의 부력(lift force)과 동일하게 주행속력과 수막 두께의 지수함수로 잘 나타낼 수 있다.FIGS. 6A and 6B are graphs comparing the traction force and the drag force with respect to the 2.5 mm thickness of the membrane according to the analysis results obtained by the full FE simulation method and the prediction results obtained by the estimation method. It is. The constants a, b and c of the prediction solution used are 0.545, 1.82 and 0.150 for the traction force and 0.937, 1.24 and 0.223 for the drag force, respectively. Therefore, the traction force and the drag force using the tire sliding model are the exponential functions of the running speed and the thickness of the water film as the lift force of the tire rolling model It can be shown well.

도 7a 및 도 7b는 예측(Estimation) 방법을 이용하여 0.5mm 의 매우 얇은 수막 두께(h)에 대하여 견인력(traction force)과 항력(drag force)을 예측한 결과이다. 따라서, ASTM E274(Pavement Friction Tester) 장비의 측정 방법과 같이 0.5mm의 수막 두께가 일정하게 유지될 때, 주행 속력(sliding speed) 변화 40km/h, 60km/h, 80km/h에 해당하는 견인력(traction force)과 항력(drag force)을 쉽게 얻을 수 있다.7A and 7B are results of predicting the traction force and the drag force for a very thin water film thickness h of 0.5 mm using the estimation method. Therefore, when the thickness of the water film of 0.5 mm is constantly maintained as in the measurement method of the ASTM E274 (Pavement Friction Tester) equipment, the sliding speed changes at 40 km / h, 60 km / h and 80 km / h traction force and drag force can be easily obtained.

이렇게 얻은 결과로부터 각각의 주행 속력(Sliding speed)에서 미끄럼 저항 값을 식 (2)와 같이 계산하였다.From the obtained results, the slip resistance at each sliding speed was calculated as shown in Equation (2).

Figure 112013071960517-pat00003
(2)
Figure 112013071960517-pat00003
(2)

여기서 Fx는 타이어에 작용하는 수평 저항력(horizontal resistance force) 이고, Fz는 수직하중이다. 즉, 수평 저항력(Horizontal resistance force) Fx는 견인력(traction force)과 항력(drag force)의 합과 같고, 수직하중 Fz는 타이어와 노면 사이의 접촉력(contact force)과 부력(lift force)의 차이와 같다(Ong and Fwa, 2010).Where Fx is the horizontal resistance force acting on the tire and Fz is the vertical load. That is, the horizontal resistance force Fx is equal to the sum of the traction force and the drag force, and the vertical load Fz is the difference between the contact force and the lift force between the tire and the road surface (Ong and Fwa, 2010).

표 1은 LS-DYNA의 타이어 슬라이딩 모델(tire sliding model)을 이용한 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation) 방법과 예측(Estimation) 방법으로 얻은 견인력(traction force)과 항력(drag force)을 각각 주행 속력변화에 대하여 정량적인 값으로 나타내었다.Table 1 shows the traction force and drag force obtained by the full FE simulation method and the estimation method using the LS-DYNA tire sliding model as the running speed The values are expressed as quantitative values.

Speed (km/h)Speed (km / h) 4040 6060 8080 Traction force (N)Traction force (N) 2434.272434.27 2333.032333.03 2202.832202.83 Drag force (N)Drag force (N) -12.67-12.67 -20.79-20.79 -29.57-29.57

그 결과를 살펴보면 일정한 수막 두께에서 주행 속력이 증가할수록 타이어와 노면 사이의 수평 방향의 힘인 견인력(traction force)은 감소하고, 물의 동압에 의해 타이어에 발생하는 항력(drag force)은 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 주행속력이 증가할수록 물의 동압에 의한 부력(lift force)이 발생하기 때문에 타이어와 노면 사이에 작용하는 견인력(traction force)은 점차적으로 감소한다. 반면 주행속력이 증가할수록 주행방향과 반대 방향으로 타이어에 작용하는 유체의 저항력(water drag force)은 증가하게 된다. 따라서, 견인력(traction force)과 항력(drag force)의 합으로 나타낼 수 있는 마찰력은 0.5mm의 매우 얇은 수막 두께에서 주행 속력이 증가할수록 감소한다.As a result, it can be seen that the traction force in the horizontal direction between the tire and the road surface decreases as the running speed increases at a constant water film thickness, and the drag force generated in the tire by the dynamic pressure of the water increases have. That is, as the driving speed increases, a lift force due to the dynamic pressure of water occurs, so that the traction force acting between the tire and the road surface gradually decreases. On the other hand, as the driving speed increases, the water drag force acting on the tire increases in the direction opposite to the running direction. Therefore, the frictional force, which can be expressed by the sum of the traction force and the drag force, decreases with an increase in the running speed at a very thin water film thickness of 0.5 mm.

이렇게 얻은 결과를 식 (2)와 같이 SN(Skid Number)을 계산하고, 그 결과를 도 8a에 나타내어 시험 결과와 비교하였다. 여기서, 도 8a의 부호(symbol) ㅧ는 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation)과 예측 방법(Estimation Method)으로 얻은 예측결과이고, 박스 영역(box plot)은 ASTM E-274(Pavement Friction Tester) 장비를 사용하여 4 구간의 도로 표면에서 8 번씩 미끄럼 저항 값을 측정하고, 이를 주행속력 40km/h, 60km/h, 80km/h에 대하여 나타낸 시험결과이다. 총 4 구간에서 각각의 구간마다 8 번씩 측정한 시험결과에서 얻은 평균 미끄럼 저항 값(SN)은 40km/h, 60km/h, 80km/h에 대하여 각각 52.97, 48.05, 43.99이며, 예측결과는 50.13, 47.91, 45.03이다. 참고로, 도8a 및 도 8b에 나타난 SN(40)R은 40Km/h, SN(60)R은 60Km/h, SN(80)R은 80Km/h을 의미한다.The SN (Skid Number) was calculated as shown in Equation (2), and the result was compared with the test result as shown in FIG. 8A. 8A is a prediction result obtained by a full FE simulation and an estimation method, and a box plot is a result of ASTM E-274 (Pavement Friction Tester) . The test results show that the slip resistance is measured 8 times on the road surface of 4 sections using 40 km / h, 60 km / h and 80 km / h. The average slip resistance values (SN) obtained from the test results measured eight times in each section in all four sections are 52.97, 48.05 and 43.99 for 40km / h, 60km / h and 80km / h, respectively. The predicted results are 50.13, 47.91, 45.03. For reference, the SN (40) R shown in FIGS. 8A and 8B is 40 Km / h, the SN (60) R is 60 Km / h and the SN (80) R is 80 Km / h.

도 8a의 결과에서 알 수 있듯이, 예측(Estimation) 방법을 이용하여 얻은 예측결과와 ASTM E274(Pavement Friction Tester)장비를 이용한 시험 결과에서 주행속력이 증가할수록 미끄럼 저항 값(SN)이 낮아지는 동일한 경향을 나타낸다. 즉, 시험 결과의 평균 미끄럼 저항값(SN)은 주행속력 20km/h씩 증가할 때마다 각각 4.92, 4.06의 차이로 거의 일정하게 감소한다. 그와 마찬가지로, 예측결과의 미끄럼 저항값(SN)도 각각 2.22, 2.88의 일정한 차이로 감소하는 것을 알 수 있다.As can be seen from the results of FIG. 8A, in the test results obtained by using the estimation method and the test results using the ASTM E274 (Pavement Friction Tester) equipment, the same tendency that the slip resistance value SN decreases as the running speed increases . That is, the average slip resistance value (SN) of the test result decreases almost constantly by a difference of 4.92 and 4.06, respectively, when the running speed increases by 20 km / h. Similarly, it can be seen that the slip resistance SN of the predicted results also decreases by a constant difference of 2.22 and 2.88, respectively.

하지만, 예측결과의 미끄럼 저항 값은 주행속력에 따라 시험결과의 평균 미끄럼 저항 값과 다소 차이를 보인다. 즉, 예측결과는 주행속력이 증가할수록 미끄럼 저항 값의 감소량이 시험결과의 평균 미끄럼 저항 값 보다 작게 나타났다. 이는 LS-DYNA를 이용한 해석결과로부터 예측(Estimation) 방법을 이용하여 얻은 예측결과는 주행속력이 증가할수록 타이어와 노면 사이의 미끄럼 마찰계수에 대한 변화를 고려하지 못하기 때문이다.However, the slip resistance value of the predicted result is slightly different from the average slip resistance value of the test result according to the running speed. That is, as the driving speed increases, the decrease in the slip resistance value is smaller than the average slip resistance value in the test result. This is because the prediction result obtained by the estimation method from the analysis result using LS-DYNA can not consider the change of the sliding friction coefficient between the tire and the road surface as the running speed increases.

일반적으로, 마른 노면에서 주행속력이 증가할수록 타이어와 노면 사이의 미끄럼 마찰계수는 감소하게 된다(McLean AJ, et al 1994). 따라서, 본 발명에서는 주행속력이 증가함에 따라 미끄럼 마찰계수 변화를 고려하기 위해 3 가지의 마찰계수 변화에 대한 추가적인 해석을 진행하였고, 그 결과를 도 8b에 나타내었다. 여기서 '+'는 마찰계수 0.55, '*'는 마찰계수 0.48 그리고 '×'는 도 8a의 예측결과로써 0.51 의 마찰계수를 사용하여 얻은 미끄럼 저항 값이다.In general, as the driving speed increases on a dry road surface, the sliding friction coefficient between the tire and the road surface decreases (McLean AJ, et al 1994). Therefore, in the present invention, in order to consider the change of the sliding friction coefficient as the running speed increases, three additional analyzes of the friction coefficient change are performed, and the results are shown in FIG. 8B. Here, '+' denotes a friction coefficient of 0.55, '*' denotes a friction coefficient of 0.48, and '×' denotes a sliding resistance value obtained by using a coefficient of friction of 0.51 as a predicted result of FIG.

위의 결과에서 알 수 있듯이, 3 가지의 마찰계수 변화에 대한 미끄럼 저항 값은 모두 주행속력이 증가할수록 동일한 경향으로 감소한다. 만약, 주행속력이 증가함에 따라 타이어와 노면 사이의 미끄럼 마찰계수의 감소를 고려한다면 물의 동압에 의한 영향만으로 예측한 결과보다 더 큰 차이의 미끄럼 저항 값을 얻을 수 있을 것이다. 즉, 위의 예측결과에서 알 수 있듯이, 주행속력 40km/h, 60km/h, 80km/h에서 각각 0.55, 0.51, 0.48의 미끄럼 마찰계수가 변화한다고 가정하면 미끄럼 저항 값의 감소 양이 시험결과의 평균 미끄럼 저항 값과 동일한 감소 양을 나타내고, 그 값의 차이는 주행속력 40km/h, 60km/h, 80km/h에서 각각 1.42, 0.14, 1.26의 매우 유사한 결과를 얻을 수 있다.As can be seen from the above results, the slip resistance values for the three friction coefficient changes all decrease to the same tendency as the driving speed increases. If the reduction of the sliding friction coefficient between the tire and the road surface is considered as the driving speed increases, the slip resistance value of a larger difference than the result predicted by only the influence of the dynamic pressure of the water will be obtained. That is, assuming that the slip friction coefficient of 0.55, 0.51, and 0.48 changes at 40 km / h, 60 km / h, and 80 km / h, respectively, as shown in the above prediction results, The difference between the two values is very similar to 1.42, 0.14 and 1.26 at 40km / h, 60km / h and 80km / h, respectively.

따라서, LS-DYNA를 이용한 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation) 방법과 예측 방법(Estimation Method)을 이용하여 견인력(traction force)과 항력(drag force)을 수막 두께(h)와 주행속력의 지수함수로 나타낼 수 있기 때문에 쉽게 미끄럼 저항 SN의 변화를 확인할 수 있다.Therefore, the traction force and the drag force can be estimated by using the full FE simulation method and the estimation method using the LS-DYNA and the exponential function of the water film thickness (h) and the running speed The change of the slip resistance SN can be easily confirmed.

게다가, LS-DYNA 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation) 방법으로 0.5mm의 한 가지 수막 두께에 대한 모델을 해석할 경우 150시간 이상의 해석시간이 소요되는 문제점을 해결할 수 있다. 즉, 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation) 방법으로 5mm, 7.5mm, 10mm의 3가지 수막 두께에 대하여 해석을 수행할 때 소요되는 해석시간은 각각 21, 23, 26이다. 이렇게 얻은 결과를 예측 방법(Estimation Method)을 이용하여 예측하는데 소요되는 시간은 데이터 정리 시간을 포함하여 1시간 미만이다. 따라서, 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation) 방법과 예측 방법(Estimation Method)을 이용하여 0.5mm 의 매우 얇은 수막 두께에 대한 결과를 얻기까지 총 71시간이 소요되기 때문에 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation) 방법만으로 결과를 얻는 것 보다 2배 이상 해석시간을 단축시킬 수 있다.In addition, LS-DYNA full FE simulation method solves the problem that analysis time of more than 150 hours is required when analyzing a model for a thickness of 0.5 mm. That is, the analysis time required for the three water film thicknesses of 5 mm, 7.5 mm, and 10 mm is 21, 23, and 26, respectively, by the full FE simulation method. The time required to predict the obtained result using the estimation method (Estimation Method) is less than 1 hour including the data arrangement time. Therefore, it takes a total of 71 hours to obtain the results for a very thin film thickness of 0.5 mm using the full FE simulation method and the Estimation Method. Therefore, the full FE simulation ) Method can shorten the analysis time by more than two times than obtaining the result.

또한, 본 발명에서 제안한 방법을 사용하여 예측 솔루션(Estimation solution)을 얻게 되면, 더 이상의 해석을 수행할 필요 없이 다양한 수막 두께에 대한 부력(lift force) 또는 미끄럼 저항 값 SN(Skid Number)을 쉽고 빠르게 얻을 수 있다.
In addition, if a prediction solution is obtained by using the method proposed in the present invention, the lift force or the skid resistance value SN (skid number) for various thicknesses of the water film can be easily and quickly Can be obtained.

4. 결론4. Conclusion

본 발명에서는, LS-DYNA를 이용하여 물의 점성을 고려할 수 있는 세 개의 수막 두께(5mm, 7.5mm, 10mm) 대하여 완전 3차원 유한 요소 시뮬레이션(Full 3D FE simulation)을 수행하였다.In the present invention, full three-dimensional FE simulation was performed on three water film thicknesses (5 mm, 7.5 mm, and 10 mm) that can consider the viscosity of water using LS-DYNA.

이를 통해 수막 두께에 대한 주행속력 별 부력(lift force)을 얻을 수 있었고, 이것을 수막 두께와 주행 속력의 함수로서 나타낼 수 있는 예측 방법(Estimation Method)을 이용하여 2.5mm 의 얇은 수막 두께에 대한 부력(lift force)를 쉽게 예측할 수 있었다.The lift force was obtained by the running speed for the thickness of the water film and the buoyancy for a thin film thickness of 2.5 mm was estimated using the Estimation Method which can be expressed as a function of the water thickness and running speed lift force can be easily predicted.

이렇게 얻은 예측결과는 동일한 수막 두께 2.5mm에 대하여 타이어 롤링 모델(tire rolling model)을 이용한 완전 유한 요소 시뮬레인션(Full FE simulation) 방법의 해석결과와 매우 유사했다. 즉, 주행 속력이 증가할수록 부력(lift force)의 변화양상도 동일하게 증가하기 때문에 정성적으로 합당할 뿐만 아니라, 자승화 비[ratio of sum of squares (R2)]를 계산하여 얻은 정략적인 결과 값인 0.952으로부터 예측결과와 해석결과의 정확성을 알 수 있었다.The predicted results are very similar to the results of a full FE simulation method using a tire rolling model for the same 2.5 mm of water thickness. In other words, as the driving speed increases, the change in the lift force also increases equally, so it is not only qualitatively reasonable, but also a result of squaring the ratio of sum of squares (R2) From the result of 0.952, the accuracy of the prediction result and the analysis result was obtained.

따라서, LS-DYNA 타이어 롤링 모델(tire rolling model)을 이용한 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation) 방법과 예측 방법(Estimation Method)을 이용하여 다양한 수막 두께, 특별히 완전 유한 요소 시뮬레이션(full FE simulation)을 수행할 경우 많은 해석시간이 요구되는 매우 얇은 수막 두께(예를 들어 1mm 혹은 그 이하) 또는 다양한 주행 속력에 대하여 예측이 가능하다.Therefore, various membrane thicknesses, especially full FE simulation, can be achieved by using full FE simulation method and estimation method using LS-DYNA tire rolling model. It is possible to predict very thin water film thicknesses (for example, 1 mm or less) or various driving speeds, which require a lot of analysis time.

더 나아가, LS-DYNA 타이어 슬라이딩 모델(tire sliding model)을 이용하여 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation) 방법과 예측 방법(Estimation Method)으로 0.5mm 의 매우 얇은 수막 두께에 대한 견인력(traction force)과 항력(drag force)을 얻을 수 있었다.Furthermore, a full FE simulation method and an estimation method using the LS-DYNA tire sliding model are used to estimate the traction force for a very thin film thickness of 0.5 mm A drag force could be obtained.

그 결과를 미끄럼 저항값(SN)으로 나타내었으며, ASTM E274(Pavement Friction Tester) 장비를 사용한 시험 결과와 비교하였다. 시험 결과와 시뮬레이션을 통해 얻은 결과 모두 주행 속력이 증가할수록 타이어와 노면 사이의 마찰력이 감소하여 미끄럼 저항 값(SN)이 감소하는 동일한 경향을 얻을 수 있었다.The results are shown in terms of the sliding resistance value (SN) and compared with the test results using ASTM E274 (Pavement Friction Tester) equipment. As a result of the test results and the simulation results, the same tendency was obtained that the friction force between the tire and the road surface decreased and the slip resistance value (SN) decreased as the driving speed increased.

하지만, 해석적 방법으로 얻은 예측결과는 주행속력이 증가함에 따라 감소하는 미끄럼 마찰계수를 고려하지 못하기 때문에 미끄럼 저항 값의 감소량이 시험결과의 평균 미끄럼 저항 값보다 작게 나타났다. 따라서, 주행속력이 증가함에 따라 미끄럼 마찰계수의 감소를 모사하여 미끄럼 저항 값의 감소량을 확인해보았고, 시험결과의 평균 미끄럼 저항값과 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다.However, the predicted results obtained by the analytical method do not consider the decreasing sliding friction coefficient as the running speed increases, so the amount of decrease in the sliding resistance is smaller than the average sliding resistance of the test result. Therefore, we confirmed the decrease of the sliding resistance value by simulating the decrease of the sliding friction coefficient as the running speed increases, and the results are very similar to the average sliding resistance of the test results.

따라서, 해석적 방법의 예측결과에서 주행속력이 증가함에 따라 미끄럼 마찰계수의 변화를 고려할 수 있다면 시험결과와 동일한 결과를 얻을 수 있다고 판단된다. 또한, 완전 유한 요소 시뮬레이션(Full FE simulation) 방법과 예측 방법(Estimation Method)을 이용하여 미끄럼 저항 시뮬레이션을 수행할 경우, 완전 유한 시뮬레이션(요Full FE simulation) 만을 이용한 것 보다 2배 이상의 해석 시간을 단축할 수 있다.Therefore, it is considered that the same results as the test results can be obtained if the change of the sliding friction coefficient can be considered as the driving speed increases in the analytical method prediction results. In addition, when the sliding resistance simulation is performed using the full FE simulation method and the estimation method, the analysis time is reduced to twice as much as that using the full FE simulation only can do.

따라서, 본 발명에서 제안한 방법을 이용하여 예측 솔루션(Estimation solution)을 얻게 되면, 더 이상의 해석을 수행할 필요없이 다양한 수막 두께에 대한 물리량 즉, 부력(lift force), 견인력(traction force), 항력(drag force)을 쉽고 빠르게 얻을 수 있고, 이를 이용하여 타이어와 노면 사이의 미끄럼 저항값의 변화를 확인할 수 있다.Therefore, when the estimation solution is obtained by using the method proposed in the present invention, it is possible to estimate the physical quantities for various water film thicknesses, that is, lift forces, traction forces, drag forces drag force can be easily and quickly obtained, and the change of the slip resistance value between the tire and the road surface can be confirmed using the drag force.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, Of the right.

Lift force: 부력 h: 수막 두께
FE simulation: 유한 요소 시뮬레이션
Estimation: 예측 Traction force: 견인력
Drag force: 항력 SN: 미끄럼 저항값
Lift force: Buoyancy h: Thickness
FE simulation: Finite element simulation
Estimation: Prediction Traction force: Traction force
Drag force: Drag SN: Slip resistance value

Claims (9)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 타이어와 수막에 대한 유한 요소 모델을 이용하여 제1 구간에 있는 적어도 2개의 수막 두께에 대한 주행속력 별 해석 물리량을 각각 얻는 단계;
상기 각각의 해석 물리량을 점근법을 통한 커브 피팅으로 수막 두께와 주행속력의 지수함수를 얻는 단계; 및
상기 지수함수를 이용하여 제2 구간에 있는 적어도 하나의 수막 두께에 대한 주행 속력 별 예측 물리량을 획득하는 단계를 포함하고,
상기 지수함수는 식(1)에 의해 정의되고,
상기 식(1)은
force = chavb 이고,
상기 식(1)에서, force는 물리량의 하나인 힘이고, h는 수막 두께이고, v는 주행 속력이고, a, b 및 c는 최소 자승법에 의해 결정되는 상수이고,
상기 타이어가 상기 수막 위에서 미끄러지는 타이어 슬라이딩 모델일 경우,
상기 해석 및 예측 물리량은 견인력(traction force) 또는 항력(drag force)이고,
상기 견인력 또는 항력은 상기 식(1)에 의해 계산되고,
상기 예측 물리량이 견인력인 경우, 상기 식(1)의 a, b 및 c는 견인력에 대한 예측 솔루션의 상수로 최소 자승법을 이용하여 결정되며, 그리고
상기 예측 물리량이 항력인 경우, 상기 식(1)의 a, b 및 c는 항력에 대한 예측 솔루션의 상수로 최소 자승법을 이용하여 결정되는 수막현상에 대한 물리량 획득 방법.
Obtaining an analytic physical quantity for each of the at least two water film thicknesses in the first section using the finite element model for the tire and the water film;
Obtaining an exponential function of the thickness of the water film and the running speed by curve fitting through the asymptotic method; And
Obtaining a prediction physical quantity per driving speed for at least one water film thickness in the second section by using the exponential function,
The exponential function is defined by equation (1)
The above equation (1)
force = ch a v b ,
In the above equation (1), force is a force which is one of the physical quantities, h is the thickness of the water film, v is the running speed, a, b and c are constants determined by the least squares method,
In the case of the tire sliding model in which the tire slides on the water film,
The analysis and prediction physical quantity is a traction force or a drag force,
The traction force or drag force is calculated by the above equation (1)
If the predicted physical quantity is a traction force, a, b and c in the equation (1) are determined using a least squares method as a constant of the prediction solution for the traction force,
Wherein a, b and c in the equation (1) are determined by using a least square method as a constant of a prediction solution for drag when the predictive physical quantity is a drag force.
제4항에서,
상기 수막 두께의 상기 제1 구간은 5mm 이상 이고,
상기 수막 두께의 상기 제2 구간은 5mm 미만인 수막현상에 대한 물리량 획득 방법.
5. The method of claim 4,
The first section of the thickness of the water film is 5 mm or more,
Wherein the second section of the water film thickness is less than 5 mm.
타이어와 수막에 대한 유한 요소 모델을 이용하여 제1 구간에 있는 적어도 2개의 수막 두께에 대한 주행속력 별 해석 물리량을 각각 얻는 단계;
상기 각각의 해석 물리량을 점근법을 통한 커브 피팅으로 수막 두께와 주행속력의 지수함수를 얻는 단계; 및
상기 지수함수를 이용하여 제2 구간에 있는 적어도 하나의 수막 두께에 대한 주행 속력 별 예측 물리량을 획득하는 단계를 포함하고,
상기 예측 물리량을 획득하는 단계는,
상기 예측 물리량으로 부력(lift force), 견인력(traction force) 및 항력(drag force)을 획득 한 후, 상기 부력, 상기 견인력 및 상기 항력을 이용하여 미끄럼 저항 값을 계산하는 단계를 포함하는 수막현상에 대한 물리량 획득 방법.
Obtaining an analytic physical quantity for each of the at least two water film thicknesses in the first section using the finite element model for the tire and the water film;
Obtaining an exponential function of the thickness of the water film and the running speed by curve fitting through the asymptotic method; And
Obtaining a prediction physical quantity per driving speed for at least one water film thickness in the second section by using the exponential function,
The step of obtaining the predicted physical quantity includes:
Calculating a sliding resistance value using the buoyancy force, the pulling force and the drag force after obtaining a lift force, a traction force and a drag force with the predicted physical quantity, Method of obtaining physical quantity.
제6항에서,
상기 지수함수는 식(1)에 의해 정의되고,
상기 식(1)은
force = chavb 이고,
상기 식(1)에서, force는 물리량의 하나인 힘이고, h는 수막 두께이고, v는 주행 속력이고, a, b 및 c는 최소 자승법에 의해 결정되는 상수이고,
상기 부력, 상기 견인력 및 상기 항력은 각각 상기 식(1)에 의해 획득되며,
상기 부력인 경우, 상기 식(1)의 a, b 및 c는 부력에 대한 예측 솔루션의 상수이고,
상기 견인력인 경우, 상기 식(1)의 a, b 및 c는 견인력에 대한 예측 솔루션의 상수이며, 그리고
상기 항력인 경우, 상기 식(1)의 a, b 및 c는 항력에 대한 예측 솔루션의 상수인 수막현상에 대한 물리량 획득 방법.
The method of claim 6,
The exponential function is defined by equation (1)
The above equation (1)
force = ch a v b ,
In the above equation (1), force is a force which is one of the physical quantities, h is the thickness of the water film, v is the running speed, a, b and c are constants determined by the least squares method,
The buoyancy, the traction force and the drag force are respectively obtained by the above-mentioned equation (1)
In the case of buoyancy, a, b and c in equation (1) are constants of the prediction solution for buoyancy,
In the case of the traction force, a, b and c in the above equation (1) are constants of the prediction solution for the traction force,
(A), (b) and (c) are the constants of the predictive solution for the drag.
제6항 또는 제7항에서,
상기 미끄럼 저항 값은 식(2)에 의해 계산되고,
상기 식(2)는
Figure 112013071960517-pat00004
이고
상기 식(2)에서, SNv는 미끄럼 저항 값이고, Fx은 타이어에 작용하는 수평 저항력으로 상기 견인력과 상기 항력의 합과 같고, Fz은 수직 하중으로 타이어와 노면 사이의 접촉력과 부력의 차이와 같은 수막현상에 대한 물리량 획득 방법.
8. The method according to claim 6 or 7,
The slip resistance value is calculated by equation (2)
The formula (2)
Figure 112013071960517-pat00004
ego
(2), SN v is a slip resistance value, F x is a horizontal resistance force acting on the tire, equal to the sum of the pulling force and the drag force, F z is a vertical load, A method of acquiring a physical quantity for a water film phenomenon such as a difference.
제8항에서,
상기 주행속력이 증가할수록 상기 타이어와 상기 노면 사이의 미끄럼 마찰계수를 감소시키는 수막현상에 대한 물리량 획득 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the sliding friction coefficient between the tire and the road surface is reduced as the running speed increases.
KR1020130094165A 2013-08-08 2013-08-08 Method for obtaining Physical Quantities relating to Hydroplaning for a Tire in Thin Water using FEM and an Estimation Method KR101507136B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130094165A KR101507136B1 (en) 2013-08-08 2013-08-08 Method for obtaining Physical Quantities relating to Hydroplaning for a Tire in Thin Water using FEM and an Estimation Method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130094165A KR101507136B1 (en) 2013-08-08 2013-08-08 Method for obtaining Physical Quantities relating to Hydroplaning for a Tire in Thin Water using FEM and an Estimation Method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150017927A KR20150017927A (en) 2015-02-23
KR101507136B1 true KR101507136B1 (en) 2015-03-31

Family

ID=53046017

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130094165A KR101507136B1 (en) 2013-08-08 2013-08-08 Method for obtaining Physical Quantities relating to Hydroplaning for a Tire in Thin Water using FEM and an Estimation Method

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101507136B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102270464B1 (en) * 2020-04-21 2021-06-29 넥센타이어 주식회사 The Test Method of Aquaplaning in Curve
KR102294792B1 (en) * 2020-05-27 2021-08-30 넥센타이어 주식회사 A testing apparatus for a tire

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102202596B1 (en) 2019-04-08 2021-01-13 금호타이어 주식회사 How to determine the lateral groove pattern lateral pattern of a tire with improved water film performance using CFD analysis
KR102174812B1 (en) * 2019-06-12 2020-11-05 넥센타이어 주식회사 Test method of curvilinear phenomenon of tire

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011046256A (en) 2009-08-26 2011-03-10 Bridgestone Corp Method and device for estimating road surface state, and vehicle control method

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011046256A (en) 2009-08-26 2011-03-10 Bridgestone Corp Method and device for estimating road surface state, and vehicle control method

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
논문1 *
논문2 *
논문3 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102270464B1 (en) * 2020-04-21 2021-06-29 넥센타이어 주식회사 The Test Method of Aquaplaning in Curve
KR102294792B1 (en) * 2020-05-27 2021-08-30 넥센타이어 주식회사 A testing apparatus for a tire

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150017927A (en) 2015-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wei et al. Transient dynamic behaviour of finite element tire traversing obstacles with different heights
EP1792159B1 (en) Method for calculating a friction-slippage curve for a tire
Xiong et al. Rolling deformation of truck tires: Measurement and analysis using a tire sensing approach
Ong et al. Prediction of wet-pavement skid resistance and hydroplaning potential
US7908915B2 (en) Method for tire rolling simulation on mud
US7343788B2 (en) Method for tire rolling simulation on sand
Le Gal et al. Modelling of sliding friction for carbon black and silica filled elastomers on road tracks
KR101507136B1 (en) Method for obtaining Physical Quantities relating to Hydroplaning for a Tire in Thin Water using FEM and an Estimation Method
US20120197548A1 (en) Tire rubber index calculating method, device, and computer-readable storage medium
Pasindu et al. Computation of aircraft braking distances
Riehm et al. 3D brush model to predict longitudinal tyre characteristics
Behroozinia et al. An investigation towards intelligent tyres using finite element analysis
Yang et al. FE-based tire loading estimation for developing strain-based intelligent tire system
El-Sayegh et al. Sensitivity analysis of truck tyre hydroplaning speed using FEA-SPH model
KR101829698B1 (en) Method for simulating a rolling radius of a motor vehicle tyre
Wei et al. Simulation of tyre rolling resistance generated on uneven road
Anupam et al. Study of cornering maneuvers of a pneumatic tire on asphalt pavement surfaces using the finite element method
JP5533277B2 (en) Evaluation method of tire inclusion jumping characteristic, tire inclusion jumping characteristic evaluation apparatus and program
Jeong et al. Hydroplaning simulation of a tire in thin water using fem and an estimation method and its application to skid number estimation
Zhang et al. A detailed tire tread friction model considering dynamic friction states
El-Sayegh et al. Modeling of tire-wet surface interaction using finite element analysis and smoothed-particle hydrodynamics techniques
Sivaramakrishnan Discrete tire modeling for anti-lock braking system simulations
Pasindu et al. Analytical evaluation of beneficial effects of runway pavement grooving on aircraft braking Distance
Khanse et al. Development of a simulink-carsim interaction package for ABS simulation of discrete tire models
JP2022047824A (en) Simulation method and device of tire

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180226

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190107

Year of fee payment: 5