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淺談輪胎簡化建模的幾種方式

2021-11-05 17:52:24·  來源：上汽安全與CAE技術(shù)  
　
前言輪胎是車輛的重要組成部分。在整車100%剛性墻正面碰撞（FFB）、50%可移動漸進變形壁障偏置碰(MPDB)、40%偏置碰撞(ODB，如圖1)、25%剛性小重疊偏置碰撞(SOB)
前言
輪胎是車輛的重要組成部分。在整車100%剛性墻正面碰撞（FFB）、50%可移動漸進變形壁障偏置碰(MPDB)、40%偏置碰撞(ODB，如圖1)、25%剛性小重疊偏置碰撞(SOB)等工況中,輪胎是碰撞時傳遞沖擊力的一條關(guān)鍵路徑,建立高精度的輪胎仿真模型,對改善整車碰撞仿真的精度具有重要意義。但是模型精度與計算時間通常是無法兼顧的，這就對輪胎模型的簡化提出了要求，在保證模型精度的同時能夠最大程度上減少計算時間。


圖1 ODB碰撞中輪胎變形模式

輪胎結(jié)構(gòu)
根據(jù)輪胎結(jié)構(gòu)的不同，可以分為斜交輪胎和子午線輪胎兩種。一般轎車使用的多為子午線輪胎，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖；胎體一般由一到兩層纖維簾布層組成，胎冠部位由兩層鋼絲或者多層高模量纖維簾布層組成帶束層，胎面一般是一層整體橡膠；冠帶層一般采用一至兩層尼龍簾布構(gòu)成，簾線附在帶束層上面。氣密層一般是由兩層氣密性好的丁基膠或鹵化類丁基膠組成。硬膠芯，也稱三角膠，主要用于提高胎圈的剛性，同時使胎側(cè)與胎圈平順的連接。鋼絲圈主要是維持胎圈形狀，保持一定的剛性。


圖2 子午線輪胎結(jié)構(gòu)

輪胎的幾種簡化模型


圖3 多層復(fù)合結(jié)構(gòu)模型


圖4 多層復(fù)合結(jié)構(gòu)有限元截面
簡化方法1：多層復(fù)合結(jié)構(gòu)有限元模型，根據(jù)輪胎截面結(jié)構(gòu)，各部件通過附膠連接，有限元模型中使用共節(jié)點方式連接。胎面鋼絲簾線、胎側(cè)纖維簾線使用梁單元模擬，其他結(jié)構(gòu)均使用體單元模擬，如圖3、4。該簡化模型可詳細表征輪胎內(nèi)部各層的材料特性，但模型復(fù)雜程度較高，且所有材料參數(shù)的獲取需要大量材料試驗；


圖5 簡化方法2輪胎模型
簡化方法2：胎面均質(zhì)化模型，將胎面均質(zhì)簡化為一個部件，不考慮輪胎胎面鋼絲簾線的結(jié)構(gòu)，胎側(cè)分為兩個部分，胎體的纖維簾線沿輪胎截面建立，對體單元包殼（如圖5），胎側(cè)和胎面等材料參數(shù)可通過參數(shù)反求或經(jīng)驗獲得。該方法的優(yōu)點是，材料參數(shù)少，結(jié)構(gòu)比較完整，有限元模型與實際輪胎輪廓一致性好；而缺點是胎面的簡化對于徑向變形的模擬精度不足。因此胎面均質(zhì)化模型常用于側(cè)向沖擊仿真中。


圖6 簡化方法3輪胎模型
簡化方法3：分別均質(zhì)化胎側(cè)和胎面為體網(wǎng)格單元，直接將體單元包殼，內(nèi)部殼單元和輪輞形成封閉的腔體，如圖6。這種方法僅需要獲得輪胎的內(nèi)外輪廓，胎側(cè)和胎面的材料參數(shù)可通過反求或者經(jīng)驗值獲取。不足之處在于難以模擬輪胎發(fā)生大變形時的真實機械性能，可用于整車正面碰撞仿真。


圖7 簡化方法4輪胎模型
簡化模型4：如圖所示，將胎側(cè)均質(zhì)化一層殼單元，胎面由兩層體單元模型，如圖7所示。這種簡化方法的缺點是胎側(cè)為均勻等厚結(jié)構(gòu)，難以在側(cè)向沖擊的模擬上有較高精度，可應(yīng)用于整車正面碰撞與偏置碰的模型中。

圖8 簡化方法5輪胎模型
 
簡化模型5：如圖所示，胎側(cè)和胎面分別均質(zhì)化為殼單元，胎側(cè)、胎面和輪輞組成封閉的腔體，用來模擬氣壓（如圖8）。這種簡化方法只需要獲得輪胎的大致輪廓，胎側(cè)和胎面的材料參數(shù)可通過反求或經(jīng)驗獲取，單元少，計算效率高，是實際工程應(yīng)用中使用最為廣泛的輪胎有限元模型。然而，這種簡化方法在輪胎發(fā)生大變形時無法實現(xiàn)較高的仿真精度。一般該方法可用于整車100%正面碰撞模型中。

小結(jié)
輪胎建模方式在整車碰撞中有較大影響，可影響結(jié)構(gòu)變形以及整車加速度波形，因此較為精確的簡化建模方法是重要的。

參考文獻
[1]肖輝鵬. 輪胎模型對于整車碰撞仿真結(jié)果的影響[D]. 湖南大學.
[2]曹立波, 張滕滕, 邵飛達,等. 輪胎模型逼真度對偏置碰撞仿真的影響分析[J]. 汽車工程學報, 2011, 01(001):48-52.
[3]衛(wèi)董程, 洪求才, 張亮,等. 輪胎模型剛度對前部偏置碰撞結(jié)果的影響[C]// 中國汽車安全技術(shù)國際學術(shù)會議暨中國汽車工程學會汽車安全技術(shù)年會. 中國汽車工程學會;上海汽車工程學會, 2008.
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