【《分布式电驱动车轮胎-路面有限元模型建立分析案例》6600字】

分布式电驱动车轮胎-路面有限元模型建立分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u10994分布式电驱动车轮胎-路面有限元模型建立分析案例 1215371.1ABAQUS软件概述 128491.2轮胎-地面有限元建模 269581.1.1轮胎的基本组成 296761.1.2轮胎的建模方法 319971.1.3轮胎建模材料选择 514471.3轮胎在多重载荷作用下的仿真分析 6256501.3.1轮胎二维半轴对称模型建模 6136241.3.2轮胎三维半对称模型建模 8239081.3.3轮胎三维模型建模 9121871.3.4轮胎稳态运输分析 11172671.4本章小结 13轮胎的有限元建模方法对于基于智能轮胎的附着系数估计算法的研究具有十分重要的意义。模拟仿真以理论分析与数学计算作为基础，在进行的过程中可进行反复的调试与评估，有助于缩短设计周期与降低开发成本。汽车子午线轮胎是一个复杂度较高的系统，包含有胎面、胎侧、带束层，帘线层等结构，许多学者对于轮胎的仿真建模方法已经开展了详细的研究。本章基于ABAQUS软件平台，从轮胎的基本结构、材料选择、建模方法介绍了轮胎--路面有限元模型建立的过程。通过四个连续的分析步计算完成了轮胎从二维半截面模型到完整模型的建立，对轮胎--路面模型进行了多重载荷加载与运动仿真分析。1.1ABAQUS软件概述ABAQUS是一款被广泛应用于各种线性、非线性问题的求解过程的通用的工程模拟分析软件。它的功能十分得具有多样性，有非常多种的单元模型库，可以模拟杆、梁、壳体、实体等几何形状；也有多样的材料模型库，可以模拟金属、橡胶、复合材料、钢筋混凝土等典型的工程应用性材料的性能。此外，ABAQUS的接触分析能力也十分强大，例如对于轮胎接地这类高度非线性问题，用户只需要提供关于轮胎模型、材料性质、约束条件以及载荷工况等参数，ABAQUS就可以自动地选择相应的增量、收敛限度并计算出有效的解值ADDINNE.Ref.{BE069853-228D-4537-84BA-D73F60C7A91B}[44]。在轮胎力学行为分析方面，轮胎装配、充气、静负荷加载以及非常缓慢地滚动等工况可视为准静态的力学问题，通常使用ABAQUS/Standard隐式求解器便能够保证计算结果的有效性；而对于轮胎动力学行为分析时，使用ABAQUS/Explicit显示求解器更为直接有效，既提高了计算效率，又可以避免因为迭代过程导致的不收敛等情况的出现，因此广泛应用于轮胎的操纵动力学、NVH等有限元仿真中ADDINNE.Ref.{9B84961A-B329-4AC5-A0FD-6F5C9261A824}[45]。1.2轮胎-地面有限元建模1.1.1轮胎的基本组成现代车辆的轮胎几乎都是充气轮胎，作为车辆中与地面接触的唯一汽车部件，也是能够直接反映接地信息的关键一环，轮胎在车辆行驶中具有重要的作用：（1）提高车辆行驶的平顺性与人员的乘坐舒适性，从而减缓行驶过程中的振动与冲击；（2）为车辆的牵引性和制动性提供支持，并且负责连接车轮与路面，保证摩擦作用，产生驱动、制动力；（3）承担整车质量，并传递来自车辆其他系统的作用力与作用力矩。针对本文分布式电驱动车辆，选择子午线轮胎进行仿真建模。子午线轮胎相比于普通斜交轮胎构成较为复杂，其主要是包括胎冠、胎侧、胎圈，帘布层和带束层等部分。如图1.1所示，是子午线轮胎结构的基本组成示意图。下面对构成的主要部分进行简要的介绍。图1.1轮胎结构示意图（1）胎冠。是轮胎行驶与地面相接的主要部件，主要承载轮胎与地面间的摩擦以及垂向载荷，有效减少胎面磨损，并且可以保护帘布层受到冲击。为增强附着能力，一般都会有不同形状的花纹。（2）胎侧。用来预防内部帘布层受潮以及缓震，避免机械损伤。由于受到的作用力较小，一般胎侧橡胶层较薄。（3）胎圈。主要作用将外胎固定于轮毂上，防止脱落，因此具有十分大的强度与刚度。由钢丝圈、胎圈包布和帘布层包布组成，同时承受车辆转弯时对轮胎产生的作用力。（4）帘布层。是支撑轮胎的主要结构，也是轮胎的重要组成部分。由纵向经线与各经线之间的纬线组成，负责承受垂向载荷产生的拉伸应力，因此应当具备非常好的韧性、耐冲击性能及耐屈挠性能，以保持轮胎断面形状与胎压。（5）带束层。是胎体与胎冠之间的缓冲层。带束层与帘布层一样是支撑轮胎的一种重要结构，负责保持轮胎的周向刚度，承受轮胎的径向压缩变形，因此应当具有非常好的韧性与刚度、强度。1.1.2轮胎的建模方法对轮胎--路面进行有限元分析，最关键的环节就是建立轮胎的有限元模型。由于轮胎结构比较复杂，各部分材料的属性都不尽相同，存在几何非线性、材料非线性、接触非线性等。如果要建立完整的轮胎模型，各组成部分的材料属性，本构模型充分考虑在内，不仅计算过程十分复杂，时间非常久，耗费计算资源，而且还会存在计算结果不收敛，仿真失败的风险。因此，在保证一定模型精度的基础上，对其进行合理且必要的简化，既能真实地反映轮胎力学与动力学特性，同时又可以节约时间，保证结果是收敛的。本文参考文献ADDINNE.Ref.{8361A6D1-BF0E-406B-B73F-01EF162559C3}[46]根据仿真实验需求对轮胎进行如下简化：（1）忽略轮辋及其对应的结构。这是因为在分析轮胎及轮胎--路面接触响应的时候，为获取轮胎与路面间的各部分接触信息，重点在于对轮胎胎冠、胎肩、带束层、帘布层的力学特征进行分析，而不去研究轮辋在这一过程中的变化特性，因此不必对其进行建模；（2）忽略轮胎胎冠花纹。轮胎花纹能够加大轮胎抓地力，增强轮胎--路面附着的情况，但是轮胎花纹太过复杂，并且对轮胎后续动力学，运动学分析的影响并不明显，因此省略了轮胎花纹的建模。在建立帘布层与带束层时，采用钢筋层模型进行模拟。过去相关研究人员在模拟帘布层与带束层时，多采用复合薄壳单元进行模拟，虽然这种方式能够提高轮胎强度，但是这会使得轮胎模型的自由度大大增加，从计算过程上来说，会增加许多时间成本，综合考虑后，本文决定选择钢筋层模型模拟帘布层与带束层。此方法通过ABAQUS中关键字*REBARLAYER实现，此选项用于在膜，壳和表面单元中定义一个或多个钢筋层，将一组带有钢筋层的表面或膜元素嵌入到一组主体连续体元素中，来定义实体元素中的钢筋层。具体在轮胎建模中，就是将帘布层与带束层看做具有钢筋层的表面单元，嵌入到胎体的实体单元中。计算REBAR单元需要设置四个参数：单个单元的横截面积、单元之间的距离、REBAR单元与橡胶单元局部坐标的夹角、单元平面与水平面的偏移量。在ABAQUS中，REBAR单元具有各向异性，帘布层与带束层的材料属性与以上四个参数决定此模型单元的性质。在将二维截面模型旋转得到三维模型时，由REBAR定义的帘布层与带束层的局部坐标，旋转角度都会由系统自动计算，建立的三维有限元模型符合实际轮胎构造，对于应力/应变情况有很好的仿真效果，因此，本文选用钢筋层模型对带束层和帘布层进行模拟。有限元建模的步骤一般分为：问题定义、几何模型建立、单元特性定义、网格划分、模型检查和处理、边界条件定义。由于轮胎模型具有轴对称的特点，本文基于ABAQUS软件计算模块的功能特性，分四个分析步对其进行建模。首先建立子午线轮胎二维半轴对称有限元模型，在此分析步中进行充气载荷分析，对轮胎二维轴对称模型的模拟不但可以真实地反映工况特点，还可以节省计算资源与时间成本；接着建立子午线轮胎三维半轴对称模型，在此分析步中添加路面模型以及垂向载荷分析；建立子午线轮胎三维完整模型并将前两个分析步的计算结果传递到此分析步；最后对三维完整模型进行稳态滚动仿真分析。1.1.3轮胎建模材料选择子午线轮胎的主要组成材料是橡胶，并通过帘布层，胎侧和胎圈加强。出于各种设计目的，例如道路牵引分析，轮胎振动和声学设计，车辆NVH研究等，可以建立具有不同复杂性和细节的有限元模型。用于橡胶材料的本构模型是超弹性模型和粘弹性模型的组合。polynomial和prony系列常数分别定义了轮胎材料的超弹性和粘弹性特性。橡胶材料的粘弹性与轮胎的滚动阻力密切相关，这解释了轮胎内加速曲线的不对称形状。在有限元模型中，材料属性对于仿真精度非常重要，特别是轮胎的主要材料橡胶。橡胶轮胎内嵌有两层帘线层和带束层。随着轮胎变形，轮胎主体和嵌入组件的重合节点被限制为一起移动。轮胎胎圈在建模中定义为刚性部件，并且到轮心的距离是固定的。为了简化起见，忽略轮胎外表面上的螺纹和凹槽，该模型中使用的超弹性，粘弹性和弹性材料特性列于表2-1。表2-1材料类型与本构模型材料本构模型及参数橡胶超弹性粘弹性密度C10472000(N/m2)g

0.3k

0τ0.1sμ

1100kg/m3C20-118771(N/m2)C3034000(N/m2)D105.01×10-9(m2/N)帘线层线弹性E170×109(Pa)υ

0.3带束层线弹性E170×109(Pa)υ

0.3基于轮胎的几何形状和弹性性能，使用不同的单元类型来进行模拟。CGAX3H和CGAX4H是在ABAQUS中定义的具有扭曲的广义三角形和四边形轴对称混合板/壳单元。这些元素是为不可压缩的材料设计的，并用于橡胶轮胎的建模。帘布层和带束层等增强部件利用了SFMGAX1单元类型，它是一种带有扭曲的广义表面单元，可以承载嵌入的钢筋层。1.3轮胎在多重载荷作用下的仿真分析1.3.1轮胎二维半轴对称模型建模在本小节中，首先建立了轮胎二维半轴对称模型。选取了半径为362mm的分布式电驱动车辆子午线轮胎作为建模参照，在ABAQUS中建立轮胎的截面模型并进行适当的网格划分。本文中所有建模过程都是在ABAQUS的inp文件中进行。inp文件是ABAQUS执行的文件，里面包含了NODE、ELEMENT、材料属性、边界条件、分析步设置等，也是完整的一个用于仿真的模型。inp文件可以直接手动编写，在里面的修改都是完全有效的，报错文件可以查看log或者dat文件，是可以用命令行提交直接运算的，这是inp的基本功能。相较于GUI可视化窗口操作，inp在处理节点单元数量多，载荷约束复杂的大规模模型时，可以直接复制重复的部分，更改载荷作用的不同节点或单元，更改载荷值就显得效率极高。再者，整体结构不改变、只是某些参数改变的计算，只需要打开inp文件进行修改即可。如上一小节所述，构成轮胎的材料橡胶选取CGAX4H单元和CGAX3H单元模拟，皮带与内衬选取SFMGAX1单元模拟，相应的材料属性与上文列出，在inp文件中需要这样写入：*ELEMENT,TYPE=CGAX3H,ELSET=TREAD*ELEMENT,TYPE=CGAX4H,ELSET=SIDE*ELEMENT,TYPE=CGAX4H,ELSET=BELT定义完节点集、单元集、材料属性以及本构模型后建立了轮胎二维半轴对称模型，如图1.2所示。四边形代表组成轮胎二维有限元模型的单元，顶点处为节点，高亮红色区域代表由钢筋层模型模拟的带束层与帘布层，内嵌于胎体的CGAX4H单元中。在此模型中，共定义了胎侧、胎体、带束层、帘布层、胎冠五个单元集，节点集有若干，便于后续载荷施加部位的选取，提取或显示某集合的分析属性等。图1.2轮胎二维半对称模型接下来直接在此分析步中施加载荷并进行受力分析。轮胎二维半轴对称模型中只受到胎压，即充气载荷的作用，因此对模型胎体、胎侧内表面施加202Kpa充气压力模拟正常胎压，设置受力方式为均匀分布受力，在inp文件中写入：*DSLOADINSIDE,P,201.E3设置完成后开始仿真，得到了图1.3所示的轮胎二维半轴对称应变云图。可以看到，虽然充气压力是均匀施加在轮胎内表面的，但是各部分的形变有所不同，在轮胎底部与侧面变形量较小，最大形变出现在二者的交接处。观察轮胎有限元模型可知，这是由于在此处未含有帘线层以及应力集中导致的最大形变。接下来将此模型及分析结果传递到下一个分析步继续进行仿真。图1.3轮胎二维半对称模型应变图1.3.2轮胎三维半对称模型建模在本小节中，建立了轮胎的三维模型，并在上一分析过程的基础上添加了轮胎的垂向载荷受力分析。具体建模过程为将二维半轴对称模型绕过轮胎中心线的旋转轴旋转360o，在旋转生成三维模型的过程中，自主定义了轮胎周向网格的段数，并对接触区域内的网格进行了加密，从而建立了轮胎三维半对称模型。这一过程中主要是通过ABAQUS的关键字REVOLVE功能来进行实现，在inp文件中需要这样写入：*SYMMETRICMODELGENERATION,REVOLVE,ELEMENT=1000,NODE=10000.0,0.0,0.0,0.0,1.0,0.0,0.0,0.0,1.0160.,40,,G40.,20,,G160.,40,,G如上，首先定义了二维半轴对称模型的旋转轴为过轮胎中心与地面平行的中心线，接着在生成网格的时候，由于重点关注轮胎的接地特性，我们将轮胎接地部分的网格进行了加密，在轮胎接地区域附近40°区域内划分20个网格，其余部分每4°划分一个网格，生成如图1.4所示的轮胎三维半对称模型。图1.4轮胎三维半对称模型在ABAQUS软件中，支持结果传递的功能，因此使用SYMMETRICRESULTTRANSFER关键字将上一小节的充气分析结果传递到此分析步中，同时添加垂直集中力以模拟轮胎所受的垂向负载。在此过程中建立路面模型，即与轮胎相切，并位于轮胎正下方的平面用来分析垂直静态载荷下轮胎与地面接触。得到了正常胎压与垂向载荷下的轮胎的应变云图1.5。加载垂直集中力16kN到轮胎中心并写入inp文件：*CLOAD,OP=NEWROAD,3,2000图1.5轮胎三维半对称模型应变图如图所示，轮胎在受到充气载荷与垂向载荷后，会在接地区域有明显形变，产生一定的下沉量。最大形变为接地区域中心，形变由中心向两端逐步缩小，并且相较于垂向载荷，充气载荷产生的形变几乎可以忽略，这在轮胎周向的形变量上得以体现。1.3.3轮胎三维模型建模将轮胎二维半轴对称模型旋转生成的此三维模型仅为完整轮胎模型的一半，需要将此模型按照轮胎纵向平分面镜像翻转从而得到了完整的模型，在分析步3）中完成了这一步骤，这一过程中使用了REFLECTION关键字。在inp文件中这样写入：*SYMMETRICMODELGENERATION,REFLECT=LINE,ELEMENT=100000,NODE=1000000.0,0.0,0.0,0.0,0.0,1.0在镜像翻转的过程中旋转轴选择的是过轮胎中心并且与地面垂直的轴，需要注意的是，由于在三维半对称模型中轮胎的节点数比较多，在生成镜像模型对节点数进行重新编号的时候，节点编号应选择较大值从而避免与原有的模型节点编号发生重复，导致模型生成错误。生成的轮胎模型如图1.6所示。图1.6轮胎三维模型与此同时，充气载荷分析和垂向集中载荷的分析结果一并从分析步2）传递到分析步3）中。最终得到了完整的轮胎三维模型以及在充气、垂直力载荷下的应力/应变云图。由此图可以看出，完整的轮胎模型应变与分析步2）中的轮胎三维半对称模型应变相同，接下来重点关注接地区域的变形规律。图1.7轮胎三维模型应变图图1.8轮胎接地区域应变图图1.8为轮胎底面受到充气载荷与垂向载荷后的应变图。从图中可以看出，印迹形状呈椭圆形，形变于中心处达到最大，逐步向四周扩散，同时在此图中可以清晰地看到接地印迹区域的范围，在后续的估计算法中需要利用加速度数据来估计接地印迹长度，估计长度可以以此验证。1.3.4轮胎稳态运输分析在前三个分析步中完成了轮胎--路面有限元建模以及充气、垂向载荷加载分析，在本分析步中对车辆行驶过程中的轮胎滚动进行仿真。与上述静力学的分析不同的是，滚动分析需要给定轮胎一个滚动速度，在轮胎以恒定角速度转动的时候，保持前述载荷条件保持不变来分析轮胎的静力学/动力学特性。此仿真过程采用ABAQUS独有的稳态运输分析方法。稳态传输分析采用了欧拉-拉格朗日方法，模拟轮胎和刚性表面的滚动和滑动接触。此方法根据坐标系确定滚动问题的运动学，并分别通过欧拉和拉格朗日方法评估刚体的旋转和变形，将时域转换为了纯空间域。因此，在该过程中，轮胎实际上并未旋转，但是构成轮胎有限元模型的材料在轮胎内部流动，这两种过程对于最终仿真结果来说是等价的，并且后一种方式大大得加快了计算效率。Inp文件中写入：*STEADYSTATETRANSPORT,LONGTERM0.5,1.0*CHANGEFRICTION,INTERACTION=SRIGID*FRICTION,SLIP=0.020.85*TRANSPORTVELOCITYNTIRE,41.0*MOTION,TYPE=VELOCITY,TRANSLATIONNTIRE,1,13.4112采用的稳态运输分析方法存在轮胎模型滚动与路面模型平面运动两个速度，同时这两个速度就可以模拟轮胎滚动的真实过程。对于稳态滚动轮胎来说，当轮胎发生纯滚动时轮胎与路面之间不存在驱动力，只要有驱动力存在，轮胎就不会处于纯滚动过程，此时轮胎不是处于牵引过程就是处于制动