胎体有限元模型离散化的轮胎侧偏及侧倾特性建模研究

【摘要】轮胎有限元方法是轮胎力学特性研究中非常重要的一个分支，由于其基于轮胎结构及材料参数建立的纯物理模型可以比较准确的描述轮胎的各种力学特性，近些年来得到了越来越广泛的应用。但是有限元模型自由度较多、模型复杂、计算耗时，很难用于整车动力学仿真。为了能够使轮胎模型在保证预测精度的前提下减少计算时间，提高仿真效率，本文基于对轮胎结构以及完整轮胎有限元模型仿真数据的分析，研究了一种将完整轮胎有限元模型中胎体结构离散化并对其带束层进行简化的建模方法，得到了一种胎体有限元模型离散化的轮胎模型，就称之为离散胎体轮胎模型，可以实现较高精度的轮胎稳态侧偏和稳态侧倾仿真，并且大幅缩短仿真时间。本文主要开展了以下工作：首先，根据轮胎制造商提供的轮胎和轮辋的几何结构数据以及材料参数建立了一个精度较高的完整轮胎有限元模型。其中轮胎中的钢丝结构选用线弹性材料模型，同时通过对各类橡胶材料模型进行对比分析研究，确定轮胎橡胶材料选用一种基于Yeoh函数的超弹性本构模型，并通过轮胎制造商提供的橡胶单轴拉伸试验数据验证了Yeoh模型的精度。其次，对建立的轮胎有限元模型进行了验模。包括轮胎接地印迹对比验模，轮胎径向刚度对比验模，轮胎侧纵向刚度对比验模，轮胎稳态侧偏特性对比验模。分别介绍了验模的试验方法和仿真方法，并对这几种工况下的力学特性的验模准确性进行了分析，除因摩擦模型的局限性造成轮胎侧纵向刚度验模精度较差外，其他验模工况均具备较高精度。然后，介绍了粗网格轮胎有限元模型（FETire）的建模思想，并参考环模型建模理论确定了本文的主体简化建模思路，即分成三个阶段对完整轮胎有限元模型的结构进行简化。第一阶段是用三向弹簧单元离散原模型的胎侧结构，同时通过大量仿真确定了三向弹簧单元的刚度与轮胎三向刚度的关系，利用双指数衰减方程拟合得到轮胎刚度的表达公式，反算确定弹簧刚度参数，对确定了参数的模型进行稳态侧偏和侧倾仿真并和原模型数据对比验模，分析了模型的有效性并对验模中产生的误差进行了机理性的分析。第二阶段是用网格结构的弹簧单元离散原模型胎冠处的胎体结构，网格结构胎体弹簧中的胎体侧向弹簧的刚度利用轮胎的物理结构和材料参数确定，而胎体周向弹簧的刚度则使用第一阶段中的参数辨识方法确定，同样对该模型进行了稳态工况的仿真对比验模，并分析了模型的有效性以及误差产生的原因。第三阶段则是用线弹性单元简化原模型的带束层结构，参数确定方法和第一、二阶段相似，并对该模型进行了仿真对比验模，最后对模型的有效性进行了分析，并最终确定了该简化模型可以进行小角度内的稳态侧偏及稳态侧倾工况的力学特性的预测，且精度满足要求。最后，对不同简化阶段得到的简化模型以及完整轮胎有限元模型进行了仿真时间的统计对比，发现简化模型在保证了较高的预测精度的同时，仿真计算时间只有原模型的1/11左右，计算效率大幅提高。
【作者】颜亮；
【导师】林柏忠；
【作者基本信息】吉林大学，车辆工程，2014，硕士
【关键词】ABAQUS；轮胎有限元；轮胎试验；离散胎体建模；稳态侧偏特性分析；

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