【《汽车轮胎的动力学建模研究国内外文献综述》3800字】

汽车轮胎的动力学建模研究国内外文献综述1.1国外研究现状汽车轮胎的动力学研究距今已将近九十年的历史，其于20世纪30年代初被广泛研究。在研究的前期阶段主要是针对轮胎的稳态特性进行探索，轮胎模型应用在轮胎性质的研究中较晚，到60-70年代才开始成为对轮胎特性研究的主要方法REF_Ref70346678\r\h[5]。国外在轮胎稳态特性的发展上，其理论模型包括滚子模型、张力带模型和圆柱薄壳模型。其主要特点是采用环状弹性结构来表示轮胎的胎冠、束带等部件，将胎侧视为存在单向或存在三向弹簧进行处理，相当于对轮胎进行适当的简化，来模拟轮胎的径向、横向的强度，在此基础上分析研究载荷、滚动速度、气体压力等相关因素对轮胎振动频率和模态的影响REF_Ref70346686\r\h[6]。2009年，Kindt基于弹性基础上的三维柔性环，建立了一种基于物理的环状结构的结构轮胎有限元模型，并包括一个子模型的车轮和空气腔，用于分析轮胎在300Hz以下的动态性能REF_Ref71999396\r\h[7]。该模型描述的模态不同于环形模型只描述平面内的模态，而是包括了所有出现在该频率范围内的模态。主要原理是弹性基础上的柔性三维环可以近似表示轮胎在该频率范围内的动态特性。该模型以有限元模型的形式实现，完整的轮胎模型包括车轮和气腔模型。研究表明，车轮柔度对最低轮胎模式有显著影响。该模型的参数化是基于轮胎简单的几何特性和三种轮胎模态的试验参数。尽管进行了剧烈的、经过充分考虑的简化，但测量和计算响应之间的比较表明，轮胎-车轮模型描述的动态行为具有可接受的精度。由于该模型是物理的，它也可以用于预测不同工况条件下轮胎的动态特性，如加载和旋转。Kung在圆柱薄壳模型的基础上采用层合复合材料，采用有限元方法的到了子午线轮胎的固有频率和振型，更加准确地建模复杂的轮胎几何形状，并将其自由振型图形化显示了出来REF_Ref70346693\r\h[8]。下图为Kung测量的频率响应从0到400Hz时，轮胎固有频率的峰值。图1.10到400Hz时，轮胎固有频率的峰值在Matsubara的研究中，提出一种简化的三维柔性环模型参数估计方法，三维柔性环模型的模型参数包括与模型尺寸、充气压力、胎面和侧壁刚度、阻尼特性相关的值。首先，推导了模型中的频响函数，然后从频响函数中提取模态参数REF_Ref71999443\r\h[9]。其次，对实际轮胎进行了试验模态分析。随后将分析和试验的模态参数进行比较，从而确定模型参数。该方法利用EMA识别模态参数，并与模型计算的模态参数进行比较计算模型参数。使用的方法是基于频率响应函数的线性拟合的方法，证实了模态参数可以以较高的精度估计。采用上述方法，不仅可以利用固有频率，还可以利用结构阻尼系数和残差项来识别模型参数。确定尺寸参数为胎面半径R和胎面半宽l，并将R和l的值定义为导致评估函数最小的参数集。在模态参数中，由于固有频率和结构阻尼系数等非线性项的误差影响，残差项的误差增大。因此，采用估计模态参数与重新计算模态参数之间相对误差的均方根值(模型参数残差项除外)作为评价识别精度的函数。重新计算的结果与实验结果有较好的相关性。该方法简化了参数优化，具有较高的频响再现性。该识别方法的优点是它可以只进行振动测试数据，而不需要轮胎几何形状或材料参数细节。Waki采用WFE方法，即波动有限元方法，预测了轮胎振动规律REF_Ref70346703\r\h[10]。采用常规有限元(FE)方法对轮胎的短周向段进行建模，应用周期性条件，并对质量和刚度矩阵进行后处理，以获得波动特性。对自由波的传播进行了预测，观察到复杂的色散现象。在色散曲线之间观察到曲线转向，显示出波数的快速变化。对于弯曲波、纵波和/或横波相互作用的波，也可以看到非零切割现象。与非零切割现象有关，观察到存在一对相位速度和群速度符号相反的传播波。同时，考虑波在轮胎周向的传播，通过叠加求出总波幅值。并将预测结果与实验结果进行比较，发现二者基本吻合。Waki采用的WFE方法可以预测轮胎在几千赫的振动响应，计算成本低，同时还包括了轮胎结构的细节。Abhijeet等人采用有限元方法分析不同充气状态、轮胎胎面的花纹种类对子午线轮胎的固有频率和模态的影响。图1.2为不同固有频率时径向振动模态振型。图1.2不同固有频率下径向模态振型；Abhijeet研究发现，轮胎的刚度会受到充气压力的影响，当轮胎的充气压力提高时会导致轮胎刚度的增加，从而使得轮胎的固有频率也随之增加，但这种增加不是无限制的，当达到某一充气压力的临界值时，再进一步增加充气压力对轮胎的刚度和固有频率也不会有所影响；还发现轮胎的固有频率在轮胎胎面是否有花纹的情况下是变化不大，但在高阶模态时，固有频率的变化会相对明显，轮胎胎面有花纹的情况下会比没有花纹的情况下固有频率更加更多REF_Ref70346718\r\h[11]。图1.3充气压力和固有频率的变化Karakus采用阻尼监测方法对轮胎固有频率进行实验测量，并对其进行数值模拟，以描述轮胎在接触地面时的自由振动和振动REF_Ref71999502\r\h[12]。结果表明，充气压力对固有频率的影响最大，固有频率随充气压力的增大而增大。对于轮胎前六阶次的固有频率而言，这种关系几乎是完美的线性关系，但百分比比率是不同的。另一方面，摩擦系数和竖向荷载对轮胎前六阶次的固有频率的影响不同且复杂得多。从不同充气压力、竖向载荷和摩擦系数下的数值解可知，这些物理参数对轮胎振动有影响。这种阻尼监测方法能过够有效的预测汽车轮胎振动频率。实验结果表明，该模型能准确、有效地计算轮胎在工作状态下的振动。现在基于计算机模型的轮胎有限元模型已经广泛应用于汽车运动仿真中并成为轮胎模态分析研究的热点。在有限元方法应用得最初阶段，受计算机计算能力条件的限制，大多数轮胎有限元分析都是采用二维方法。在前人对轮胎有限元分析模型建立的卓越贡献上，逐渐地展开了关于轮胎有限元分析模型的研究和更进一步的发展，促进着汽车行业的前进。1.2国内研究现状国内对于轮胎模型的研究相对于国外起步较晚，但仍建立了较为完善的理论模型。结合国外研究和前人对于轮胎研究的贡献以及计算机和有限元软件的发展，国内对于轮胎模型有限元分析也有十分喜人的结果。闫相桥和他的团队通过考虑轮胎非线性因素的多个方面，提出稳态滚动轮胎的边值问题REF_Ref70346731\r\h[13]，确定了稳态滚动轮胎的基本关系，考虑到实际情况并确定边值条件，建立了轮胎有限元分析模型。计算结果发现随着轮胎的运行速度的增加，计算得到的模型最大截面宽度会减少，地面总反力随之增加，结果表明，该有限元模型是较为可靠的。石琴等人利用Ansys仿真软件对子午线轮胎有限元模型进行振动模态分析，得到其有限元模型的固有频率以及对应的振型，但并没有考虑到在轮胎装配轮辋后得状态；在这之后，石琴和其团队在对其仿真结果和实验结果对比后，提出完善轮胎有限元模型，并决定模拟轮胎各部分结构采用梁壳实体单元耦合的方法分别如图1.4。对轮胎胎面、胎侧、子午线束带等主要部分进行合理的简化，重新建立了轮胎断面的轮廓曲线。模拟分析不同路面条件下轮胎的刚度特性，研究轮胎的接触特性与模拟结果的非线性特征，讨论单元特性对于有限元模型仿真结果的精度的影响REF_Ref70346763\r\h[14,15]，得出通过对轮胎材料和接触特性的合理选择，可以更进一步提高模型的精度和质量。图1.4梁壳实体联合轮胎模型冯希金等人也同样的采用了建立有限元模型的方法，研究胎压和不同材料特性和参数对轮胎模态振动特性影响REF_Ref70346785\r\h[16]。研究结果表明，在计算模型轮胎模态振动和固有频率时，使用有限元分析方法是可行可靠的REF_Ref71999575\r\h[17]，其中影响轮胎刚度的因素中，不同的充气状态对其影响相对较大；想要增大轮胎的固有频率，也可以通过增大胎面橡胶的模量，进而增加轮胎的整体刚度从而实现。目前，有限元模型的研究已经应用到汽车研究中得许多方面中，同时在汽车相关研究领域外的许多领域也发挥着至关重要的作用。有限元分析软件ABAQUS是达索SIMULIA公司的产品，是世界上公认的功能最为强大，操作最为方便的大型有限元分析软件之一，其解决问题的范围从线性分析到各种各样非线性分析问题。可以准确地分析和解决大多数的工程问题，大多数复杂且工作量庞大的模型也同样可以进行模拟分析，其应用包含了许多不同的领域，如机械、材料、船舶、航空等。ABAQUS具有多种不尽相同的单元类型，可以对十分复杂的形状进行不同的处理。同时ABAQUS包含着种的材料模型库也十分全面，可以处理复杂的工程材料，模拟常用的工程材料性能，如金属、橡胶、和可压缩超弹性泡沫材料等。作为一种能够被普遍使用的有限元分析软件，ABAQUS软件能够解决结构分析问题，能分析热传导、热力耦合、声学分析等工程领域REF_Ref70346800\r\h[15]。本文主要应用前后处理模块和求解器模块对子午线轮胎进行有限元模型的建立和计算模态分析。参考文献薛亮，黄森.汽车HVN技术研究现状与展望[J].汽车零部件,2013,(5).夏洪兵.某SUV车内低频路噪仿真分析及优化[D].吉林大学,2019.刘昌波,曹飞,宋振勇,鞠志明,王园园.基于有限元方法的轮胎振动模态影响因素分析[J].轮胎工业,2019,39,(11):652-656.张万枝.轮胎静态特性有限元分析及其对汽车操稳性的影响[D].郑州大学,2011.王强，杜慧林.子午线轮胎的振动分析与噪声控制研究[D].青岛理工大学,2018.刘强.全钢子午线轮胎振动仿真分析及其影响因素研究[D].哈尔滨工业大学，2014.P.Kindt;P.Sas;W.Desmet.Developmentandvalidationofathree-dimensionalring-basedstructuraltyremodel[J].JournalofSoundandVibrationVolume326,2009.L.E.Kung,W.Soedel,T.Y.Yang.Naturalfrequenciesandmodeshapesofanautomotivetirewithinterpretationandclassificationusing3-Dcomputergraphics[J].JournalofSoundandVibration,1985.MasamiMatsubara;ShozoKawamura.ParameterIdentificationofaThree-dimensionalFlexibleRing-basedModelofaTireUsingExperimentalModalAnalysis[J].InternationalJournalofAutomotiveEngineering,2019.Y.Waki,B.R.Mace,M.J.Brennan.Freeandforcedvibrationsofatyreusingawave/finiteelementapproach[J].JournalofSoundandVibration,2009.AbhijeetChatterjee，VinayakRanjan.FreeVibrationAnalysisofRadialPneumaticTireUsingFEM[C].InternationalJournalofEmergingTechnologyandAdvancedEngineering,2012.MKarakus，ACavus，MColakoglu.VibrationAnalysisofaTireinGroundContactunderVariedConditions[J].JournalofTheoreticalandAppliedMechanics,2017.闫相桥.稳态滚动