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浅谈轮胎简化建模的几种方式
2021-11-05 17:52:24· 来源：上汽安全与CAE技术
前言轮胎是车辆的重要组成部分。在整车100%刚性墙正面碰撞（FFB）、50%可移动渐进变形壁障偏置碰(MPDB)、40%偏置碰撞(ODB，如图1)、25%刚性小重叠偏置碰撞(SOB)
前言
轮胎是车辆的重要组成部分。在整车100%刚性墙正面碰撞（FFB）、50%可移动渐进变形壁障偏置碰(MPDB)、40%偏置碰撞(ODB，如图1)、25%刚性小重叠偏置碰撞(SOB)等工况中,轮胎是碰撞时传递冲击力的一条关键路径,建立高精度的轮胎仿真模型,对改善整车碰撞仿真的精度具有重要意义。但是模型精度与计算时间通常是无法兼顾的，这就对轮胎模型的简化提出了要求，在保证模型精度的同时能够最大程度上减少计算时间。
图1 ODB碰撞中轮胎变形模式
轮胎结构
根据轮胎结构的不同，可以分为斜交轮胎和子午线轮胎两种。一般轿车使用的多为子午线轮胎，其结构示意图如图；胎体一般由一到两层纤维帘布层组成，胎冠部位由两层钢丝或者多层高模量纤维帘布层组成带束层，胎面一般是一层整体橡胶；冠带层一般采用一至两层尼龙帘布构成，帘线附在带束层上面。气密层一般是由两层气密性好的丁基胶或卤化类丁基胶组成。硬胶芯，也称三角胶，主要用于提高胎圈的刚性，同时使胎侧与胎圈平顺的连接。钢丝圈主要是维持胎圈形状，保持一定的刚性。
图2 子午线轮胎结构
轮胎的几种简化模型
图3 多层复合结构模型
图4 多层复合结构有限元截面
简化方法1：多层复合结构有限元模型，根据轮胎截面结构，各部件通过附胶连接，有限元模型中使用共节点方式连接。胎面钢丝帘线、胎侧纤维帘线使用梁单元模拟，其他结构均使用体单元模拟，如图3、4。该简化模型可详细表征轮胎内部各层的材料特性，但模型复杂程度较高，且所有材料参数的获取需要大量材料试验；
图5 简化方法2轮胎模型
简化方法2：胎面均质化模型，将胎面均质简化为一个部件，不考虑轮胎胎面钢丝帘线的结构，胎侧分为两个部分，胎体的纤维帘线沿轮胎截面建立，对体单元包壳（如图5），胎侧和胎面等材料参数可通过参数反求或经验获得。该方法的优点是，材料参数少，结构比较完整，有限元模型与实际轮胎轮廓一致性好；而缺点是胎面的简化对于径向变形的模拟精度不足。因此胎面均质化模型常用于侧向冲击仿真中。
图6 简化方法3轮胎模型
简化方法3：分别均质化胎侧和胎面为体网格单元，直接将体单元包壳，内部壳单元和轮辋形成封闭的腔体，如图6。这种方法仅需要获得轮胎的内外轮廓，胎侧和胎面的材料参数可通过反求或者经验值获取。不足之处在于难以模拟轮胎发生大变形时的真实机械性能，可用于整车正面碰撞仿真。
图7 简化方法4轮胎模型
简化模型4：如图所示，将胎侧均质化一层壳单元，胎面由两层体单元模型，如图7所示。这种简化方法的缺点是胎侧为均匀等厚结构，难以在侧向冲击的模拟上有较高精度，可应用于整车正面碰撞与偏置碰的模型中。
图8 简化方法5轮胎模型
简化模型5：如图所示，胎侧和胎面分别均质化为壳单元，胎侧、胎面和轮辋组成封闭的腔体，用来模拟气压（如图8）。这种简化方法只需要获得轮胎的大致轮廓，胎侧和胎面的材料参数可通过反求或经验获取，单元少，计算效率高，是实际工程应用中使用最为广泛的轮胎有限元模型。然而，这种简化方法在轮胎发生大变形时无法实现较高的仿真精度。一般该方法可用于整车100%正面碰撞模型中。
小结
轮胎建模方式在整车碰撞中有较大影响，可影响结构变形以及整车加速度波形，因此较为精确的简化建模方法是重要的。
参考文献
[1]肖辉鹏. 轮胎模型对于整车碰撞仿真结果的影响[D]. 湖南大学.
[2]曹立波, 张滕滕, 邵飞达,等. 轮胎模型逼真度对偏置碰撞仿真的影响分析[J]. 汽车工程学报, 2011, 01(001):48-52.
[3]卫董程, 洪求才, 张亮,等. 轮胎模型刚度对前部偏置碰撞结果的影响[C]// 中国汽车安全技术国际学术会议暨中国汽车工程学会汽车安全技术年会. 中国汽车工程学会;上海汽车工程学会, 2008.
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