郭建保;孙晴;刘珍海;胡跃伟;岳国辉;陈现岭
【摘 要】乘用车整车碰撞仿真分析中，轮胎仿真精度影响轮胎的变形、姿态及车体响应。为提升轮胎的仿真精度，该文设计了乘用车轮胎动态冲击试验系统。采用实体与壳单元结合的轮胎建模方法，通过Hypermesh建立动态冲击试验有限元模型，使用LS-Dyna仿真分析，并与试验对标。用GB/T 20072-2006中规定的台车，以10 km/h的速度对轮胎进行2次冲击对比试验。同时验证了对标轮胎模型对整车碰撞的影响。结果表明：仿真中轮胎变形及冲击特性、台车加速度与试验一致。应用于整车碰撞中，轮胎姿态、A柱变形、B柱加速度与试验一致。因而，乘用车轮胎动态冲击试验系统设计有效。轮胎建模方法合理。%Tire simulation precision in vehicle crash simulation affects the deformation, pose and body response. A testing system of tire dynamic impact was designed to improve the simulation precision. A tire FE model was established using shel and solid about the dynamic impact testing system by Hypermesh, simulated by LS-DYNA, and benchmarked with test. Two contrast tests were done with an impact velocity of 10 km/h using a trol ey speciifed in GB/T 20072-2006 to impact tire. After b
enchmarked, it was validated in vehicle. The results show that the tire deformation, impact characteristic, and trol ey acceleration are the same as test. Applied in vehicle, the tire gesture, A-pil ar deformation, and B-pil ar acceleration are the same as vehicle test. Therefore, the testing system of tire dynamic impact is available. The tire FE model is reasonable.
【期刊名称】《汽车安全与节能学报》
【年(卷),期】2016(007)001
【总页数】6页(P49-54)
【关键词】汽车被动安全;轮胎;动态冲击;试验与仿真;刚度;对标分析
【作 者】郭建保;孙晴;刘珍海;胡跃伟;岳国辉;陈现岭
【作者单位】长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，保定071000，中国;长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，保定07100
0，中国;长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，保定071000，中国;长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，保定071000，中国;长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，保定071000，中国;长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，保定071000，中国
【正文语种】中 文
【中图分类】U461.91
轮胎是乘用车关键部件之一，也是整车正面高速碰撞(全宽100%、40%偏置、25%偏置)中的传力通道，轮胎的仿真精度影响其在整车碰撞分析中轮胎的变形、刚度及运动姿态表现。在正面高速碰撞中，轮胎属于大变形部件，所以需要研究轮胎的正面动态冲击特性。目前，文献[1-5]中建立试验台架，并对轮胎进行侧向冲击试验仿真，验证了车轮冲击模型的准确性。文献[6-7]利用摆锤模拟路障冲击，冲击面小，能量低，不能反映轮胎大变形下的特性。文献[8-9]利用调整轮胎相关参数，仅说明轮胎刚度影响整车碰撞。相关文献中对轮胎正面冲击特性研究较少。
本文以轮胎正面冲击研究为出发点，设计了一种轮胎动态冲击测试系统，并进行轮胎试验测试，验证了此系统的有效性。并采用新的轮胎建模方法，进行仿真与试验对标分析，获得了仿真精度较高的轮胎模型，以便提升整车碰撞的仿真分析精度。
1.1 试验方案组成
为实现轮胎动态冲击测试，依据实验室试验能力，设计了轮胎动态冲击测试系统，该系统只需对轮胎安装装置进行单独开发；安装板之间采用二保焊连接，轮胎安装装置通过螺栓A固定于混凝土刚性墙上，如图1、图2所示。
1.2 试验具体要求
试验速度要求为10 km/h或委托方要求的速度，速度偏差为±0.5 km/h。台车中心线应与刚性壁障表面中心线的偏差±50 mm。试验轮胎胎压为车辆半载胎压[10]。台车采用GB/T 20072-2006乘用车后碰撞燃油系统安全要求中规定的后部碰撞用台车，但不开启延迟自动刹车功能[11]。试验中，采集台车质心位置X、Y和Z向加速度，采集频率应满足SAEJ211中的规定[12]。
1.3 试验流程
指导试验测试的流程如图3所示。
本文所选用某车型的2个轮胎，其轮胎型号为235/55 R18，半载胎压为220 kPa，进行2次轮胎动态冲击试验。2次试验后，速度显示器上显示台车实际冲击速度为vtest_A = 9.98 km/h，vtest_B = 9.99 km/h。数据采集到的加速度对比如图4所示，峰值为atest_A = 15.7 g，atest_B = 15.86 g。由图5可知：试验后，轮胎反弹，轮毂无变形。轮胎安装装置无损坏。高速摄机能正常记录试验不同角度的情况。
2次测试结果表明：此轮胎动态冲击测试系统能正常记录所需数据，并能重复使用，试验方案设计合理。
3.1 轮胎建模原方法
轮胎建模原方法如图6所示，只有胎体和轮辋两个Part分布。不足之处说明：
1) 胎体仅为一层壳体，且位于一个Part中，所设置的Section中胎体厚度为均匀的，实际胎体的厚度从胎面到胎侧、三角区是渐变的，材料也不相同，此种胎体建模方法有些失真；
2) 胎压虽选用*AIRBAG_SIMPLE_PRESSURE_ VOLUME[13]模拟，但胎体抖动很严重，有些失真。
3.2 建立轮胎冲击试验有限元模型
本冲击试验系统的有限元模型如图7包括：轮胎安装装置、轮胎、冲击台车。其中轮胎安装装置采用实体建模，4个螺栓安装点全自由度约束。轮胎建模新方法如图8所示。
1) 将外胎分为3个部分建模，胎面胶体、胎侧胶体、三角芯胶体为实体。内胎面为壳单元。选用*MAT_ BLATZ-KO_RUBBER[13]模拟，涉及的G值不同。
2) 轮辋为实体建模，材料为铝合金材料A356。
3) 胎压为220 kPa，选用*AIRBAG_SIMPLE_PR ESSURE_VOLUME[13]模拟，通过设置参数MWD来控制轮胎抖动。
4) 轮胎采用*CONTACT_AUTOMATIC_SING LE_SURFACE[13]接触，其中参数SOFT、SOFSCL、DEPTH、BSORT需进行相关设置，以避免冲击中胎面胶体与胎侧胶体穿透及粘连情况，影响结果准确性。
3.3 仿真与试验对标
鉴于2次试验中轮胎的变形、台车的速度及加速度水平相当，选取Test-A开展对标。
1) 轮胎变形时间序列图如图9所示，仿真与试验轮胎变形随时间变化而同步，在60 ms左右冲击台车基本撞击到轮辋，开始反弹。
2）加速度对比如图10所示，通过新的轮胎建模方法仿真加速度曲线与试验对比，仿真加速度峰值及趋势与试验基本一致。
通过仿真与试验对标，仿真轮胎变形与试验同步，变形量基本一致。仿真加速度峰值及趋势与试验基本一致。证明了轮胎仿真建模方法的正确性，轮胎动态冲击仿真精度高，能应用于整车碰撞分析中。
将对标后的某车型高精度轮胎模型应用于整车64 km/h偏置碰撞分析中，并进行替换轮胎前后仿真结果对比。
1） 轮胎姿态和车体变形对比：如图11所示。替换后轮胎姿态正确，与试验表现一致。替换后A柱折弯减弱，有轻微变形，与试验表现一致。
2） 车体响应对比：仿真与试验B柱加速度如图12所示。基础仿真车体加速度在70～90 ms之前与试验差异明显，且峰值较高。更换高精度轮胎模型后，消除了在70～90 ms之前加速度与试验差异明显。
综上对比结果表明：高精度的轮胎模型能提高整车碰撞的仿真分析精度，能正确的表现整车碰撞安全性能。
设计了轮胎动态冲击测试系统，并通过试验测试。建立了冲击试验有限元模型，采用新的轮胎建模方法，通过乘用车轮胎动态冲击试验方法与仿真对标研究，结论如下：
1) 该测试系统能正常记录所需数据，能重复应用于其他轮胎测试，试验方案设计合理。
2) 仿真轮胎变形、变形量、加速度峰值及趋势与试验基本一致。证明了轮胎仿真建模方法的正确性，轮胎动态冲击仿真精度较高，能应用于整车碰撞分析中。
3) 验证了对标后的轮胎模型对整车碰撞的影响，对标后的轮胎模型能提升整车碰撞仿真分析精度。
【相关文献】
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