轮胎仿真建模及其摩擦力求解
责任编辑：lxy     时间：2024-01-19     来源：转载于：iCAETube
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1.背景
  汽车一切动力学特性都是由轮胎与地面间的接触作用来实现的，接触产生的力和力矩是整车动力学研究的主要对象。车辆操纵稳定性的优劣，很大程度上取决于轮胎抓着性能。我国每年发生数百万起交通事故，大多数都是车辆制动不及时或制动力不足导致的，尤其雨天路面有积水时，更易引发事故。随着人们对汽车安全性和操纵稳定性要求越来越高，迫使整车厂和轮胎厂不断改进车辆及轮胎性能，而轮胎湿抓着优化设计就是其中的重要环节。因此，研究轮胎在雨天积水路面上的抓着性能对于汽车安全行驶是非常有必要。
目前，研究轮胎湿抓着性能大多采用实车试验，在试验场跑道上淋水模拟降雨天气积水路面，进行车辆制动性能测试，但试验数据稳定性差，成本高。国外也有研究轮胎湿地牵引性能的专用试验台，但囿于试验成本，并未得到广泛应用。在计算机仿真方面，有限元法已日趋成熟，作为一种辅助手段，成功应用于汽车零部件设计研发中。在试验研究不理想的情况下，有限元法能较为直观且精确地表征复杂的轮胎结构及其受力特性，再结合广泛应用的热力学、流体力学和声学等仿真技术，使得轮胎有限元法成为目前研究轮胎使用特性最重要的途径之一。
积水路面轮胎抓着仿真涉及有限元法、材料力学、摩擦学和流体力学等知识，能够精确地模拟轮胎与雨水耦合时的力学特性及流场分布。对于改进轮胎的结构及材料设计，优化轮胎滑水及湿地制动性能具有显著意义，可以为轮胎企业的产品设计和性能优化提供参考。
2.仿真模型建立
2.1模型
  轮胎模型部件主要包括胎面、带束层、内衬层、子口护胶、钢丝圈、胎侧、胎体胶、三角胶、帘布层，爆炸图如图1所示。

640.png

                                                                                                                       图1.轮胎模型部件


  轮胎是个旋转体，为简化模型，对部件进行2D网格划分，之后采用*SYMMETRIC MODEL GENERATION和*SYMMETRIC RESULTS TRANSFER语句将2D模型装换为3D模型，用hypermesh处理好的网格如图2所示，部件网格类型如表1所示。


640 (1).png

                                                                                                                      图2 轮胎2D网格模型

表1 轮胎部件网格类型
    
部件
网格种类
网格类型
胎面/Tread
2D
CGAX3H/CGAX4H
内衬层/Innerlinear
2D
CGAX3H/CGAX4H
钢丝圈/Bead
2D
CGAX3H/CGAX4H
子口护胶/Rimcont
2D
CGAX3H/CGAX4H
胎侧/Sidewall
2D
CGAX3H/CGAX4H
胎体胶/Carcass
2D
CGAX3H/CGAX4H
三角胶/Beadf
2D
CGAX3H/CGAX4H
带束层/Belt
1D
SFMGAX1
帘布层/Ply
1D
SFMGAX1


2.2 材料
  轮胎有限元法涉及复杂的几何、边界条件以及材料非线性耦合，轮胎有多达十几种橡胶及骨架材料，每种材料均有不同属性。因此，只有建立能准确表征材料属性的本构模型，才能保证仿真的有效性和精度。轮胎材料有两类：一类是橡胶结构材料，如胎面胶、基部胶、胎肩胶、胎侧胶、子口胶、三角胶以及内衬胶等橡胶材料；另一类是胎体、带束层等橡胶-帘线复合材料。
橡胶材料模型：Yeoh模型
模型参数如表2所示：


表2 轮胎Yeoh模型参数
胎面胶
子口护胶
三角胶
内衬胶
胎侧胶
带束胶
冠带胶
0.7079
0.7055
0.6587
1.9442
1.3384
0.9951
0.1244
-0.8151
-0.8101
-0.1582
-0.1553
-0.3187
-0.2127
-0.4579
0.0813
0.0658
0.0448
0.6407
0.1520
0.1168
0.1827


橡胶-帘线复合材料采用*REBAR LAYER 加强筋来模拟，橡胶作为基体，钢丝作为加强筋（胎体帘线、带束钢丝等），采用*EMBEDDED ELEMENT命令将加强筋REBAR单元嵌入到橡胶基体中，如图3所示。


640 (2).png

                                                                                                                    图3 轮胎-帘线示意图


Rebar模型的杨氏模量、泊松比、截面积等详细参数如表3所示。


表3 Rebar模型参数

640 (3).png


2.3 载荷工况
  轮胎摩擦仿真载荷工况分三步：1）轮胎载荷：140kg；2）轮胎充气压力：700kPa；3）轮胎初始速度为96km/h，施加制动12%左右的制动。
轮胎滑移率是判定车辆制动过程是否稳定的重要依据。通常在车轮转速小于该车速对应的轮胎自由滚动角速度时，便发生滑移，滑动程度越大，制动稳定性越差，当滑移达到100%时，车轮抱死，车辆便无可利用的侧向力及回正力矩，失去操纵性能。轮胎滑移率 s可表示为：


640 (4).png


式中，v 为车速，rs为轮胎有效滚动半径，ws为轮胎角速度。
3 后处理结果
运用abaqus软件求解轮胎摩擦仿真模型，所得部分部件应力云图如下图所示。

640 (5).png

                                                                                                                             带束层应力

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                                                                                                                             三角胶应力

640 (7).png

                                                                                                                               内衬应力

640 (8).png

                                                                                                                        胎面接触应力

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