Guidelines for Papers to be Presented at the ABAQUS Users’ Conference (May 2002)

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雍拜从
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1 基于 ABAQUS CEL 方法的轮胎滑水仿真李兵, 李炜, 吴福麒佳通轮胎 ( 中国 ) 研发中心摘要 : 轮胎的滑水性能与车辆的行驶安全性密切相关本文基于 Abaqus CEL 方法建立轮胎滑水仿真技术, 并使用若干组计及复杂胎面花纹的轮胎有限元模型, 进行轮胎滑水案例分析, 考察路面积水深度车辆行驶速度等工况参数对轮胎滑水性能的影响结果表明, 积水深度和行驶速度对轮胎滑水性能影响显著, 轮胎滑水性能随着水深的增加而降低, 随着行驶速度的增加而显著降低还针对三种花纹样式进行轮胎滑水性能对比分析, 并从设计原理上给出解释仿真结果与实际情况或测试结果相符, 这表明, 使用 ABAQUS 软件进行轮胎滑水仿真能够得到合理的分析结果关键词 : 轮胎滑水有限元分析流固耦合 ABAQUS CEL 1. 引言轮胎的滑水性能与车辆的行驶安全性密切相关当以较快速度行驶的车辆驶过覆有较深积水的路面时, 因水的流体动力学作用使轮胎与地面之间形成水膜, 导致轮胎不能充分与地面接触甚至完全脱离地面, 这种轮胎被水托起的现象称为轮胎的滑水 (Hydroplaning) 现象 ; 相应的轮胎使用性能被称为轮胎的滑水性能轮胎研发工程师努力改进轮胎设计, 尤其是胎面花纹设计, 以提高轮胎的滑水性能然而长期以来, 工程师们主要凭借经验进行相关的优化设计, 缺乏方便有效的评价手段在试验方面, 轮胎滑水性能测试对试验场地水深车辆试车手试验工况安全保障措施等多方面的试验条件要求苛刻 ; 在仿真方面, 由于轮胎滑水现象涉及到复杂的力学问题, 包括高度的非线性复杂的流固耦合问题等, 长期缺乏有效可靠的仿真工具, 也难以建立有效可靠的仿真方法 2008 年,Abaqus 在其新版本中正式推出 CEL(Coupling Euler-Lagrange, 耦合的欧拉 - 拉格朗日 ) 方法, 大幅拓展了 Abaqus 软件的流固耦合仿真能力这也是 Abaqus 技术发展的一个重要的里程碑本文企图基于 Abaqus CEL 方法, 建立一套完整的轮胎滑水仿真建模和分析技术 ; 与此同时, 使用若干个计及复杂胎面花纹的轮胎有限元模型进行轮胎滑水案例分析, 考察路面积水深度轮胎行驶速度胎面花纹设计等因素对轮胎滑水性能的影响 2. 轮胎滑水仿真模型轮胎滑水仿真模型由轮胎模型水 / 空气复合模型轮辋模型和路面模型四部分组成, 叙述如下 2011 SIMULIA 中国区用户大会 1

感兴趣的读者可参阅笔者曾发表的相关文献 [1-5] 本文共建立了三种组合花纹轮胎模型

B 和 C; 其中样式 A 为对称花纹 ( 中心对称 ), 样式 B 为单导向花纹

用于滑水仿真的 3 个组合花纹轮胎模型. (a) 优化前 (b) 优化后图 3.

2 轮胎模型均为周期性的组合花纹轮胎模型 [1], 总体建模方法如图 1 所示限于篇幅, 本文不再对轮胎模型的建模方法进行详细介绍, 感兴趣的读者可参阅笔者曾发表的相关文献 [1-5] 本文共建立了三种组合花纹轮胎模型 PT-A PT-B 和 PT-C( 如图 2 所示 ), 分别对应三种花纹样式 A B 和 C; 其中样式 A 为对称花纹 ( 中心对称 ), 样式 B 为单导向花纹 ( 镜面对称 ), 样式 C 为一款非对称花纹图 1. 周期性的组合花纹轮胎模型及其总体建模策略. (a) 模型 PT-A (b) 模型 PT-B (c) 模型 PT-C 图 2. 用于滑水仿真的 3 个组合花纹轮胎模型. (a) 优化前 (b) 优化后图 3. 用于滑水仿真的水 / 空气复合模型. 水 / 空气复合模型直接使用 Abaqus/CAE 建模得到, 并将离散为 Euler 单元, 用于描述液体 ( 水 ) 可能填充的空间经过多次试算后, 根据水流的流动方向流速分布以及水可能填充区域的范围, 对模型的几何形状进行了优化优化前和优化后的水 / 空气复合模型的 SIMULIA 中国区用户大会

几何形状及网格划分分别如图 3(a) (b) 所示与优化前的模型 ( 图 3(a)) 相比, 优化后的模型 ( 图 3(b)) 在水流可能流向的方向尤其是在高度方向上, 增加了 Euler 网格的空间范围, 在水流不可能流向的方向删除了不必要的网格单元, 并且在流体运动比较复杂的区域进行了更加精细的网格划分借助这些措施, 优化后的模型将得到更加精确的计算结果, 同时避免了计算时间的大幅增加

3 几何形状及网格划分分别如图 3(a) (b) 所示与优化前的模型 ( 图 3(a)) 相比, 优化后的模型 ( 图 3(b)) 在水流可能流向的方向尤其是在高度方向上, 增加了 Euler 网格的空间范围, 在水流不可能流向的方向删除了不必要的网格单元, 并且在流体运动比较复杂的区域进行了更加精细的网格划分借助这些措施, 优化后的模型将得到更加精确的计算结果, 同时避免了计算时间的大幅增加后文进行滑水仿真时均使用优化后的水 / 空气复合模型轮辋和路面均使用解析刚体进行模拟, 非常简单, 不予详述 3. 轮胎滑水仿真方法在进行有限元仿真分析时, 采用先隐式后显式 [6] 的求解策略所谓先隐式是指先使用 Abaqus 隐式求解器进行轮胎装配充气加载和滚动工况的模拟, 即将轮胎轮辋和路面组装在一起, 定义合理的位移 / 力边界条件和接触边界条件, 使用 Abaqus/Standard 进行轮胎装配充气加载和自由滚动工况的求解, 并得到给定滚动速度下的稳定的应力应变场关于此过程的模拟方法, 可参考相关论文 4. 轮胎滑水仿真结果 [1,7] 获悉详细描述所谓后显式是指 Abaqus 显式求解器进行轮胎滑水工况的模拟, 即将 ABAQUS/Standard 计算得到滚动工况下稳定的应力应变场作为初始条件, 导入 ABAQUS/Explicit 进行轮胎瞬态滚动工况的计算 ; 与此同时在有限元模型中增加水 / 空气复合模型, 定义合适的接触边界条件和初始条件, 包括水流速度等相关初始条件, 进行滑水仿真的计算基于上述模型和仿真方法, 使用 6.9 版本的 Abaqus 软件进行了轮胎滑水仿真, 并考察了路面积水深度轮胎行驶速度胎面花纹设计等若干因素对轮胎滑水性能的影响 4.1 积水深度对轮胎滑水性能的影响使用轮胎模型 PT-A, 考察了路面积水深度对轮胎滑水性能的影响在 80km/h 的轮胎行驶速度下, 当积水深度 d 分别为 5mm 10mm 和 15mm 时, 得到的轮胎滑水仿真结果如图 4(a) 至图 4(c) 所示 (a) d=5mm, v=80km/h (b) d=10mm, v=80km/h (c) d=15mm, v=80km/h 图 4. 不同水深时的轮胎滑水仿真结果 SIMULIA 中国区用户大会 3

为了更直观地考察路面积水深度对轮胎滑水性能的影响, 对上述三种积水深度下轮胎与地面之间的法向接触力随时间的关系曲线进行了对比, 如图 5 所示在图中, 法向接触力越大, 表示轮胎与地面之间的接触越不充分, 轮胎的滑水性能越差, 对应车辆失控的风险也就越大由图 5 可以看出, 路面积水深度对轮胎滑水性能影响显著,

2 行驶速度对轮胎滑水性能的影响仍使用轮胎模型 PT-A, 考察了行驶速度对轮胎滑水性能的影响在 10mm 的积水深度下, 当行驶速度 v 分别为 40mm/h 60mm/h 和 80km/h 时, 得到的轮胎滑水仿真结果如图 6(a) 至图 6(c) 所示 (a) d=10mm, v=40km/h (b)

4 为了更直观地考察路面积水深度对轮胎滑水性能的影响, 对上述三种积水深度下轮胎与地面之间的法向接触力随时间的关系曲线进行了对比, 如图 5 所示在图中, 法向接触力越大, 表示轮胎与地面之间的接触越不充分, 轮胎的滑水性能越差, 对应车辆失控的风险也就越大由图 5 可以看出, 路面积水深度对轮胎滑水性能影响显著, 轮胎滑水性能随着水深的增加而降低这与实际情况相符图 5. 不同积水深度时轮胎滑水性能的对比. 4.2 行驶速度对轮胎滑水性能的影响仍使用轮胎模型 PT-A, 考察了行驶速度对轮胎滑水性能的影响在 10mm 的积水深度下, 当行驶速度 v 分别为 40mm/h 60mm/h 和 80km/h 时, 得到的轮胎滑水仿真结果如图 6(a) 至图 6(c) 所示 (a) d=10mm, v=40km/h (b) d=10mm, v=60km/h (c) d=10mm, v=80km/h 图 6. 不同行驶速度时的轮胎滑水仿真结果. 为了更直观地考察行驶速度对轮胎滑水性能的影响, 对上述三种速度下轮胎与地面之间的法向接触力随时间的关系曲线进行了对比, 如图 7 所示由图 7 可以看出, 行驶速度对轮胎滑水性能影响更加显著, 轮胎滑水性能随着行驶速度的增加而大幅降低 ; 由图 7 还可以看出, 行驶速度越快, 轮胎与地面之间接触力的降低就越明显, 对应车辆失控的风险大幅增加这些结论也与实际情况相符 SIMULIA 中国区用户大会

时, 三组模型计算得到的轮胎滑水仿真结果如图 8(a) 至图 8(c) 所示 (a) 花纹样式 A (b) 花纹样式 B (c) 花纹样式 C 图 8. 不同花纹样式轮胎的滑水仿真结果. 图 9.

5 图 7. 不同行驶速度时轮胎滑水性能的对比. 4.3 花纹样式对轮胎滑水性能的影响使用分别对应三种胎面花纹样式的轮胎模型 PT-A PT-B 和 PT-C, 考察了花纹样式对轮胎滑水性能的影响当积水深度为 10mm 行驶速度为 80mm/h 时, 三组模型计算得到的轮胎滑水仿真结果如图 8(a) 至图 8(c) 所示 (a) 花纹样式 A (b) 花纹样式 B (c) 花纹样式 C 图 8. 不同花纹样式轮胎的滑水仿真结果. 图 9. 不同花纹样式轮胎的滑水性能对比. 同样地, 为了便于分析, 对三种花纹样式模型计算得到的轮胎与地面之间的法向接触力随时间的关系曲线进行了对比, 如图 9 所示由图 9 可以看出, 在三种花纹样式中, 样式 C 的滑水性能最好 ;B 次之 ;A 最差这与花纹设计的初衷是一致的 : 花纹样式 A 为传 2011 SIMULIA 中国区用户大会 5

6 统设计方案 ; 花纹样式 B 使用单导向花纹设计, 当轮胎在水面上行驶时, 胎面两侧的横向花纹均有助于积水的排出 ; 花纹样式 C 在设计时采用了三条较宽的纵向主花纹沟槽, 宽大的纵向沟槽使得积水能够快速排出, 因此使用该款花纹设计的轮胎在雨天行驶时具有更优越的滑水性能针对花纹样式 C, 其相应的车辆纵向滑水性能实车测试的结果也表明, 该款花纹在积水路面上确实具有十分优越的排水性能对图 5 图 7 和图 9 进行对比分析, 读者很容易看出, 相对于轮胎花纹设计的改善, 积水深度和轮胎行驶速度对轮胎滑水性能的影响显然更加显著这也与实际情况相符 : 在雨天行车时或者通过积水路面时, 与选择一款更贵更好的轮胎相比, 注意观察路面环境和控制车速对于行驶安全性更加重要 5. 总结基于 Abaqus CEL 方法, 本文建立了一套轮胎滑水仿真建模和分析技术, 并使用若干组计及复杂胎面花纹的轮胎有限元模型, 进行了轮胎滑水案例分析, 考察了路面积水深度轮胎行驶速度等工况条件对轮胎滑水性能的影响结果表明, 积水深度和行驶速度对轮胎滑水性能影响显著, 轮胎滑水性能随着水深的增加而降低, 随着行驶速度的增加而显著降低本文还针对三种花纹样式进行轮胎滑水性能的对比分析, 并从设计原理上给出了合理解释文中的仿真结果与实际情况或测试结果相符, 这表明, 使用 ABAQUS 软件进行轮胎滑水仿真能够得到合理的结果 6. 参考文献 1. 李兵. 计及复杂胎面花纹的子午线轮胎结构有限元分析 [D]: [ 博士学位论文 ]. 合肥 : 中国科学技术大学李兵, 夏源明, 李炜. 四种组合花纹轮胎模型以及若干应用案例 [J].ABAQUS 中国区用户大会论文集, 李兵, 李炜. 包含复杂胎面花纹的子午线轮胎结构分析 [J].ABAQUS 用户论文集, 李兵, 李子然, 李炜. 计及复杂胎面花纹的子午线轮胎滚动分析 [J].ABAQUS 用户论文集, 李兵, 李子然, 夏源明. 帘线角对子午线轮胎力学性能的影响基于含复杂花纹的轮胎有限元分析研究 [J]. 应用力学学报, 2009(1). 6. 曾光. 计及胎面花纹影响的轮胎侧偏显式有限元分析 [D]: [ 硕士学位论文 ]. 合肥 : 中国科学技术大学李炜. 子午线轮胎结构有限元分析和设计原理的若干问题研究 [D]: [ 博士学位论文 ]. 合肥 : 中国科学技术大学 SIMULIA 中国区用户大会

中国公路学报年

中国公路学报年第卷第期年月中国公路学报孟瑾朱平胡志刚根据耐久性试验中常用的整车台架试验方法通过多体动力学模型仿真模拟整车在四轮路面激励下的运动状态提取车身与底盘连接位置的载荷历程采用有限元法分析动载荷作用下的车身结构响应基于传统的应力寿命方法方法寻找车身薄弱环节辨识危险零件应力双轴性并选择多轴疲劳损伤参量预测车身疲劳寿命分析结果表明结合多体动力学与多轴疲劳的寿命