轮胎模型演示幻灯片

轮胎模型,一、轮胎模型简介二、ADAMS/TIRE三、轮胎的特性文件严金霞2009年1月,1,轮胎是汽车重要的部件，它的结构参数和力学特性决定着汽车的主要行驶性能。轮胎所受的垂直力、纵向力、侧向力和回正力矩对汽车的平顺性、操纵稳定性和安全性起重要作用。轮胎模型对车辆动力学仿真技术的发展及仿真计算结果有很大影响，轮胎模型的精度必须与车辆模型精度相匹配。因此，选用轮胎模型是至关重要的。由于轮胎具有结构的复杂性和力学性能的非线性，选择符合实际又便于使用的轮胎模型是建立虚拟样车模型的关键。,2,一、轮胎模型简介轮胎建模的方法分为三种：1）经验半经验模型针对具体轮胎的某一具体特性。目前广泛应用的有MagicFormula公式和吉林大学郭孔辉院士利用指数函数建立的描述轮胎六分力特性的统一轮胎半经验模型UniTire，其主要用于车辆的操纵动力学的研究。2）物理模型根据轮胎的力学特性，用物理结构去代替轮胎结构，用物理结构变形看作是轮胎的变形。比较复杂的物理模型有梁、弦模型。特点是具有解析表达式，能探讨轮胎特性的形成机理。缺点是精确度较经验半经验模型差，且梁、弦模型的计算较繁复。,3,3）有限元模型基于对轮胎结构的详细描述,包括几何和材料特性，精确的建模能较准确的计算出轮胎的稳态和动态响应。但是其与地面的接触模型很复杂，占用计算机资源太大，在现阶段应用于不平路面的车辆动力学仿真还不现实，处于研究阶段。主要用于轮胎的设计与制造。,4,二、ADAMS/TIRE轮胎不是刚体也不是柔体，而是一组数学函数。由于轮胎结构材料和力学性能的复杂性和非线性以及适用工况的多样性，目前还没有一个轮胎模型可适用于所有工况的仿真，每个轮胎模型都有优缺点和适用的范围。必须根据需要选择合适的轮胎模型。ADAMS/TIRE分为两大类：一）.用于操稳分析的轮胎模型魔术公式是用三角函数的组合公式拟合轮胎试验数据，用一套形式相同的公式完整地表达轮胎的纵向力、侧向力、回正力矩、翻转力矩、阻力矩以及纵向力、侧向力的联合作用工况，主要包括以下的前四种模型。,5,1）魔术公式轮胎模型（MFTyre）根据仿真工况的不同可在稳态和非稳态之间切换模型，考虑了轮胎高速旋转时陀螺耦合、侧偏和纵滑的相互影响，外倾对侧偏和纵滑的影响。适用范围：有效频率到8Hz，是点接触模型，只能用于平路面（路面起伏的波长必须大于轮胎的周长）。2）Pacejka89、Pacejka94由提出者Pacejka教授根据其发布年命名的，是稳态侧偏模型，不能用于非稳态工况。适用范围：有效频率到0.5Hz，当与2D路面作用时是点接触；当与3D路面作用时，等效贯穿体积的方法来计算垂直力，等效法假设轮胎胎体是圆筒，必须在轮胎文件的形状模块输入了轮胎胎体横剖面。,6,3）PAC2002模型Pacejka的后期发展,PAC2002和MFTyre具有相同的功能，但改善了模型的翻转力矩，已经取代了MFTyre。适用范围：有效频率到8Hz，主要用于操稳的仿真分析。4）PACMC模型，是专门用于摩托车轮胎模型，有效频率到8Hz，适合于大外倾角的工况。5）Fiala模型是弹性基础上的梁模型，不考虑外倾和松弛长度。当不把内倾角作为主要因数且把纵向滑移和横向滑移分开对待的情况下，对于简单的操纵性分析可得到合理的结果。适用范围：有效频率到0.5Hz，可以用于二维和三维路面，当与2D路面作用时是点接触；当与3D路面作用时，等效贯穿体积的方法来计算垂直力。,7,6）UA模型考虑了非稳态效果，通过摩擦圆考虑了侧偏和纵滑的相互影响，也考虑了外倾和松弛长度，在只需要有限几个参数的情况下，有非常好的精度。适用范围：有效频率到8Hz，是点接触模型，只能用于平路面（路面起伏的波长必须大于轮胎的周长）。7）5.2.1轮胎模型是ADAMS早期发布的轮胎模型，现已很少使用。适用范围：有效频率到0.5Hz是点接触模型，只能用于平路面。注：5.2.1轮胎模型使用的路面文件是特有的，不能被其他的操纵分析轮胎模型所识别。,8,二、用于耐久性分析的轮胎模型三维接触模型，考虑了轮胎胎侧截面的几何特性，并把轮胎沿宽度方向离散，用等效贯穿体积的方法来计算垂直力，可以用于三维路面。该模型是一个单独的License，但是如果用户只购买DurabilityTIRE，只能用Fiala模型计算操稳。除了上述两类模型以外，还有环模型，作为子午线轮胎的近似，研究轮胎本身的振动特性，成为国际上仿真轮胎在短波不平路面动特性的主流模型，是目前发展比较成熟和得到商业化应用的轮胎模型，其中具有代表性的是F-tire和SWIFT轮胎模型。,9,SWIFT模型（ShortWaveIntermediateFrequencyTIREModel）SWIFT模型是由荷兰Delft工业大学和TNO联合开发的，是一个刚性环模型，在环模型的基础上只考虑轮胎的0阶转动和1阶错动这两阶模态，此时轮胎只作整体的刚体运动而并不发生变形。在只关心轮胎的中低频特性时可满足要求。由于不需要计算胎体的变形，刚性环模型的计算效率大大提高，可用于硬件在环仿真进行主动悬架和ABS的开发。在处理面外动力学问题时，SWIFT使用了魔术公式。,10,可用于研究一些复杂的工况,例如:不平路面的侧偏和ABS制动。在处理轮胎-地面的接触问题时,SWIFT采用了等效路形的方法，所用的等效路形是由一个专门的包容模型算出来的。所以,SWIFT模型要自带一个包容模型来提供等效路形，这也是它的缺点之一。适用范围：有效频率为60-100Hz，可用于短波不平路面。注：SWIFT模型所用到的路面模型要有合适的采样间隔，否则会应用以内插值替换的数据，采样间隔一般为0.10.2m或者更大。,11,FTire模型（FlexibleRingTireModle）是由德国Esslingen大学的MichaelGipser领导小组开发的，是基于柔性环模型的物理模型，是一个2.5维非线性轮胎模型。它的主要特征是:(1)弹性环不仅能描述面内振动，也能描述面外特性(侧偏特性)。胎体沿圆周方向离散，也可在胎体宽度方向离散;胎体单元间用弹簧相连，在胎体单元上有一定数量的胎面单元;(2)轮辋与轮胎用径、切、侧3个方向的分布弹簧相连。轮辋可在面内平移和转动,也可在面外运动。环与轮辋间采用了弹簧并联一个串联的弹簧阻尼单元的形式(3)轮胎自由半径和弹簧刚度随轮胎转速的变化而变化;(4)采用了复杂非线性的摩擦模型描述胎面橡胶的摩擦特性,即摩擦系数为压力和滑移速度的函数;,12,FTire的优点具有完全的非线性；频率可达120-150Hz甚至更高；对波长降到轮胎接地尺寸一半的小障碍物，能够得出有效的结果；具有高精度的轮胎稳态特性；当通过凹凸不平的路面时，能提供很高的精度；计算时间为实时5-20倍；能识别很多不同格式的路面文件。FTire的缺点F-tire模型所需参数很多,获取这些参数需要做轮胎的模态试验以及不同压力和滑移速度下胎面橡胶的摩擦特性试验,其费用较高。在使用时,要求用户对该模型有相当的了解并能正确测取参数。,13,适用范围：有效频率高达120-150Hz；可用于短波不平路面，即障碍物的尺寸可以小于轮胎的印迹；可对不同的种类的振动激励作出响应；可在相对运动的地面和各种各样的试验台上进行仿真；可在三维路面上进行耐久性分析；在水平路面和随机路面上对车辆的牵引和操纵性进行仿真分析；可进行高动力悬浮控制系统对轮胎影响的评估。主要是针对乘坐舒适性（不平路面的制动、侧偏，不同速度的越过障碍物以及4柱激励试验台）、耐久性以及操纵性能（ABS制动时的制动距离，汽车的原地转向等）方面的应用而设计的。此外，该模型的逼真度、细节和计算速度之间提供了一个有效的折衷方法，在频域提供了有效地分析结果，容易从轮胎的测量数据中获得模型参数。,14,15,FTire支持的四大类路面模型几何简单障碍的路面模型，只需要几个精确参数（如：正弦波路面、矩形凸块路面、折线路面、斜坡路面等）合成伪随机数据，使用一维或二维动态滤波方法测量的规则栅格数据的路面文件测量的不规则数据的三角网格路面文件FTire支持的路面文件Adams软件中所有的rdf文件，包括基于弧形中心线的所有二维路面、三维路面，还支持3D三角网格路面；RGR路面文件（规则的栅格路面）；所有COSIN/ev路面模型，包括大量的被参数化的障碍定义的路面文件、滚筒的旋转鼓路面和空间的试验场地。这些路面模型可在所有环境中的支持FTire，且不需要单独的许可证。,16,17,以下的路面模型需要各自软件的安装环境和许可证所有Adams软件中的.xml路面文件；所有的Simpack路面模型；所有由TYDEX/STI给出的标准道路格式文件；IPG路面（IPG汽车公司提供的）；URM道路（利用简单的程序编程的道路模型）；用户自定义的模型。FTire是高分辨率物理轮胎模型，需要每秒数百万次评价路面，为了实现空间和时间分辨率，路面模型选择很重要。RGR路面（规则的栅格路面）是一个高分辨率的路面模型，它采用等距网格避免寻找三角单元的节点，可选带有弧形中心线，是特别适合以满足需求的效率，准确性和灵活性的路面模型。因此，除了简单的几何参数的障碍路面模型，RGR路面是FTire的首选路面描述方法。,18,FTireRoadModelEfficiencyComparsion,相对于不规则三角网格路面，RGR道路提供大量和可扩展的减少文件大小，减小内存的需求，减少文件加载时间和CPU评价的时间。,19,20,FTire提供了一个辅助程序FTire/roadtools工具箱来产生，分析和处理所有的道路文件，包括RGR路面模型。FTire/roadtools易于使用的图形用户界面（GUI）,21,四、轮胎的特性文件主要包括以下几个模块：MDIHEADER标准数据块(定义文件格式、版本等)；SHAPE形状数据块（定义轮胎的半径和宽度）；N