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模態(tài)輪胎的生成與應用

2020-11-07 22:33:44·  來源：誤入CAE的程序員  作者：朱淑強  
　
摘要:為解決基于虛擬路譜的路噪仿真分析中輪胎的建模問題，提出了一種輪胎的建模和轉化方法，該方法考慮了輪胎的滾動特性，并使路噪仿真的頻率上限提高到250Hz。
摘要:為解決基于虛擬路譜的路噪仿真分析中輪胎的建模問題，提出了一種輪胎的建模和轉化方法，該方法考慮了輪胎的滾動特性，并使路噪仿真的頻率上限提高到250Hz。有限元輪胎的建模仿真通過實驗對比驗證了精度。模態(tài)輪胎的轉化通過轉化前后的模態(tài)和頻響對比，驗證了轉化算法的可靠性。通過路噪的仿真與實驗的對比，充分驗證了輪胎模型的可靠性。
關鍵詞：有限元輪胎,仿真精度,模態(tài)輪胎,路噪
 
FE Tire CAE Analysis and Modal tire Generation
Zhu Shuqiang
  
 Abstract: In order to solve the tire model method for road noise CAE analysis based the road random excitation, a FE tire CAE analysis process and modal tire generation method was formulated. In the method, the tire rolling NVH characteristics was be considered and frequency of road noise CAE analysis will reach to 250Hz. Some works has been done to show the method practicability: FE tire CAE and test result correlation, modal tire transferring precise and CAE and test result comparison for full vehicle road noise.
Key words: FE tire, simulation precise, modal tire, road noise
1 引言
路噪是由于高速滾動的輪胎，受到路面不平度的激勵，使乘員艙內(nèi)部人耳處產(chǎn)生噪聲[[0]][[1]][[2]]。路噪的來源主要有兩種：一種是高速滾動的輪胎產(chǎn)生的輻射噪聲，經(jīng)過空氣傳播到乘員艙內(nèi)部，另一種是由于路面的不平度導致輪胎的振動和沖擊，經(jīng)過底盤傳遞到車身，造成乘員艙內(nèi)部噪聲。前一種稱為空氣噪聲，主要由輪胎表面的花紋，槽深和節(jié)距等決定，后一種稱為結構噪聲，主要由路面、輪胎特性、底盤和車身結構等決定。
結構傳播的路噪可以通過的有限元仿真來預測，一般頻率范圍在20-300Hz。為完整研究整車路噪的影響因素，現(xiàn)在一般采用基于虛擬路譜激勵的路噪仿真方法，這就要求必須建立一個能精確反應輪胎在300Hz之內(nèi)的模態(tài)和傳遞特性的有限元模型。國內(nèi)有一些應用于虛擬路譜激勵的路噪仿真的輪胎建模方法，但不是太多[[3]][[4]]。文獻[4]中展示了一種通過有限元方法建立的輪胎模型，并提取輪胎的的剛度、質量和阻尼矩陣等信息，通過DMIG矩陣輸入的方式完成輪胎建模，提取的輪胎的頻率最高為150Hz；文獻[5]中展示的輪胎模型首先通過ABAQUS詳細建模仿真，然后利用工具縮減輪胎模型，最高頻率到200Hz。總結這些輪胎的建模方案，主要有這兩個不足：第一，輪胎的頻率范圍太小，無法預測更高頻率的路噪水平。一般輪胎的聲腔模態(tài)造成的路噪峰值在200-300Hz之間，工程師也特別關注該峰值的大小，路噪的預測頻率應該涵蓋輪胎的聲腔模態(tài)頻率；第二，輪胎沒有考慮輪胎滾動效應。滾動輪胎和靜態(tài)輪胎其模態(tài)和傳函特性相差非常大，其分別仿真出來的路噪結果也差異巨大，采用靜態(tài)輪胎來進行虛擬路譜的路噪仿真，在50Hz之后的結果基本與實際不符。
基于以上背景，為解決虛擬路譜激勵的整車路噪仿真中輪胎的建模問題，本文對滾動輪胎的建模仿真進行了研究，并且為驗證建模仿真方法的正確性，仿真結果與實驗進行了對比；通過獨創(chuàng)的滾動輪胎模型轉化方法，完成模態(tài)輪胎的建模和轉化精度校核；最后進行了虛擬路譜的路噪仿真，并與實驗對比，進一步驗證了該輪胎模型的準確性和實用性。
2 輪胎的仿真和對標
2.1 輪胎的建模
選擇規(guī)格205/55R16的某輪胎建立有限元模型，采用Hyper mesh軟件前處理。有限元分析中，一般先建立2D模型，完成輪胎的過盈和充氣仿真，然后通過關鍵字*SYMMETRIC MODEL GENERATION完成輪胎的3D旋轉。圖1所示為輪胎的2D模型，模型包含了輪胎詳細的部件結構：橡膠、簾線、鋼絲以及輪輞。對于用做NVH的輪胎模型，輪胎主要受到中小位移的路面激勵，橡膠材料采用NEO-HOOKE的本構模型，為獲取聲腔的特性，2D截面中包含聲腔單元。完成建模后，單元數(shù)2856個，節(jié)點數(shù)3097，旋轉成3D模型后，單元數(shù)155400，節(jié)點數(shù)149101。
（圖略）
圖1 輪胎2D有限元模型
2.2 輪胎的仿真
輪胎的仿真分析從2D截面開始，后續(xù)的各工況分析為前一工況的重啟動分析，具體仿真分析的流程如圖2所示。
（圖略）
圖2：輪胎仿真分析工作流程
文略（詳細仿真流程，可以參考課程：輪胎的建模仿真與模態(tài)輪胎的生成）。
2.3 輪胎仿真精度
2.3.1 輪胎自由模態(tài)仿真精度
實驗中，輪胎充氣氣壓240kpa，為保證測試的邊界條件為自由狀態(tài)，采用尼龍繩懸掛。實驗中主要識別輪胎的徑向模態(tài)，軸向模態(tài)和聲腔模態(tài)，整理得到的對標結果如表1所示。
 
一般要求模態(tài)的仿真精度誤差不超過3%。如表1中所示，一共對比了自由模態(tài)的17階模態(tài)，包含7階徑向模態(tài)，7階軸向模態(tài)和一階空腔模態(tài)，除了振型一瓣的模態(tài)外，其余模態(tài)結果精度誤差均在3%之內(nèi)，滿足后續(xù)工況分析精度要求。
2.3.2 輪胎cleat仿真精度
圖3為輪胎的cleat實驗。實驗中，cleat尺寸高*寬=10mm*20mm，平行于輪胎旋轉安裝，固定在直徑1000mm的轉鼓上，實驗中輪胎安裝在六分力儀上，輪荷加載4300N，測試速度60km/h。初始狀態(tài)，由轉鼓帶動輪胎開始轉動，到達預設穩(wěn)態(tài)轉速后，獲取輪胎經(jīng)過cleat前后的徑向，切向和軸向反力大小。由于軸向反力較?。ㄒ话阕畲蠓戳?0N左右），誤差因素占比大，一般不作精度要求。
（圖略）
圖3 輪胎cleat實驗
 
 
圖4 輪胎cleat仿真徑向反力精度      圖5 輪胎cleat仿真切向反力精度
圖4和圖5分別為輪胎cleat實驗和仿真徑向反力和切向反力過cleat前后隨時間變化對比曲線。圖中可知，輪胎撞擊沖擊條后，徑向和切向反力急劇增大，但由于阻尼作用，反力幅值開始振蕩并逐漸衰減。在輪胎的cleat仿真中，仿真的反力大小同實驗結果基本相同，曲線振蕩的的波峰波谷時間間隔也同實驗一樣，每個周期內(nèi)幅值衰減的幅度大小也同實驗相差無二，這說明滾動輪胎的模態(tài)頻率特性是可信的，阻尼特性符合實際狀況，滾動輪胎的模態(tài)仿真結果是可信的。
3 模態(tài)輪胎的轉化與校核
3.1模態(tài)輪胎的轉化
ABAQUS非線性求解器提取了滾動輪胎（60km/h）在300Hz內(nèi)的模態(tài)值，并通過實驗對比驗證仿真精度的可靠，但這模型不能直接應用于整車路噪仿真，必須對模型進行轉化，即ABAQUS的非線性模型線性化。
 
圖6 模態(tài)輪胎的轉化
3.2模態(tài)輪胎的轉化精度
3.2.1 模態(tài)精度
轉化后，使用通用線性求解器OptiStruct計算模態(tài)輪胎模型模態(tài)，并于轉化前ABAQUS計算的結果進行對比，模態(tài)頻率和振型對比分別如圖7和8。
 
圖7 轉化前后模態(tài)頻率對比
 
 
圖8 轉化前后模態(tài)振型對比
圖7對比可知，轉化后輪胎的模態(tài)頻率精度沒有丟失，同ABAQUS中計算的一樣，圖8對比可知，輪胎的模態(tài)振型基本反應出輪胎的振型，但由于滾動輪胎求解的是復模態(tài)，其振型中各節(jié)點的相位并不相同，而轉化的模態(tài)輪胎是經(jīng)過線性化的，提取的是實模態(tài)，其振型中各點的相位相同，但這并不影響對輪胎振型的判斷。
3.2.2 頻響精度
模態(tài)輪胎用于整車路噪仿真分析，最重要的就是其頻響特性是否可以反應實際輪胎特性。前面的cleat仿真和實驗對比的結果可以知道，ABAQUS仿真的滾動輪胎頻響特性完全與實際相符，所以，只要轉化的輪胎頻響精度沒有丟失，模態(tài)輪胎是完全可以反應實際輪胎NVH特性的。
圖9為轉化前后輪胎的頻響精度對比，分別采用兩種頻響工況進行精度對比。(a)輪心Z向激勵，Z向響應的頻響，(b)輪心Z向激勵，胎面Z向響應的頻響。圖中紅線為轉化前ABAQUS計算的結果，綠線為轉化后OptiStruct計算的結果。曲線對比可知，在250Hz范圍內(nèi)，轉化后頻響結果幾乎與轉化前一致，能很好的反應輪胎的力傳遞特性，尤其在輪胎聲腔模態(tài)頻率下，轉化后的頻響結果也有兩個峰值，這將能很好的在路噪仿真中體現(xiàn)輪胎的空腔特性。總體上，由于輪胎非線性轉成線性，總會損失一部分精度，這對路噪仿真來講是可以接受的。
 
 
(a) 輪心Z向激勵，Z向響應             (b)輪心Z向激勵，胎面Z向響應
圖9 轉化前后輪胎的頻響精度
4 整車路噪仿真驗證
利用整車路噪的仿真結果與實驗對比來驗證模態(tài)建模的精度與實用性。
路噪實驗車輛為電動車，采集粗糙路面60km/h的速度行駛中人耳處聲壓響應。仿真方面，激光掃描路噪行駛的粗糙路面的高程數(shù)據(jù)，轉化成位移的功率譜密度函數(shù)，作為虛擬路譜激勵；整車分析模型包含的子系統(tǒng)主要有：動力總成、驅動軸、前懸、后懸、前后副車架、內(nèi)飾車身、聲腔和模態(tài)輪胎。路噪仿真采用隨機分析，虛擬路譜加載到模態(tài)輪胎的footprint中，提取聲腔中人耳處的聲壓大小，提取的頻率上限為250Hz，最終得到的仿真結果與實驗結果對比如圖10所示。
 
圖10 基于模態(tài)輪胎的整車路噪仿真精度
由圖10可知，相比于實驗曲線，仿真預測曲線的整體走勢同實驗一致，仿真曲線的幅值水平也同實驗相當。一些主要模態(tài)的產(chǎn)生的峰值仿真均能很好的反映，例如，本例中17寸輪胎聲腔頻率為205.4Hz和222.5Hz（60km/h），在該頻率下仿真曲線有明顯的峰值，且峰值頻率和幅值大小與實驗接近，很好的反應了輪胎的力傳遞特性。但由于整車模型的復雜性，個別頻率和峰值與實驗吻合的不是很理想，需要對整車的建模進一步校核。但在整體上該路噪仿真精度是可以反映整車的NVH低頻結構性能。
5 結語
本文提供了一種可以應用于整車路噪仿真的輪胎建模和轉化方法，該方法考慮了輪胎滾動狀態(tài)下的模態(tài)和頻響特性，可使路噪仿真的頻率上限提高到250Hz。有限元輪胎的建模中，通過自由模態(tài)、cleat的仿真與實驗的對比，說明了輪胎仿真具有較高的精度；模態(tài)輪胎轉換前后的模態(tài)和頻響的對比，說明了輪胎轉化算法正確，精度較高；最后通過路噪仿真和實驗結果對比，驗證了該輪胎具有相當?shù)木龋耆梢杂糜诤罄m(xù)路噪的仿真分析。
參考文獻         
           
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