第9卷 第11期 2009年6月167121819(2009)1122999205
科 学 技 术 与 工 程
Science Technol ogy and Engineering
Vol 19 No 111 June 2009猛士科技
Ζ 2009 Sci 1Tech 1Engng 1天津限牌
臧孟炎 朱林培 应卓凡
(华南理工大学，广州510640)
摘 要 建立了基于L s 2dyna 软件进行水滑评价的3-D 轮胎有限元模型。通过仿真计算，模拟了楔形水膜逐渐被挤入轮胎花纹沟槽并沿花纹沟槽排出时的情形，得出了轮胎在干、湿路面上运行时轮胎与地面接触力与轮速之间的关系曲线，验证了水膜厚度与临界滑水速度的关系。研究结果对轮胎的设计和改进具有一定的指导意义。关键词 轮胎滑水 L s 2dyna 流固耦合
volvo c30中图法分类号 U4631341; 文献标志码 B
2009年2月19日收到
轮胎是汽车的重要组成部件，同时也是汽车和地面直接接触的唯一有效部位，其使用状态的安全与否将严重影响到车辆的行驶安全。湿滑路面上，由于水膜的润滑作用，胎面与路面之间的摩擦系数将显著下降，特别是在轮速超过某一极限速度时，流体动压力会使轮胎完全丧失驱动力和制动力，直接威胁到乘客和驾驶员的人身安全。因此，轮胎的滑水分析是轮胎设计过程中不可或缺的重要环节。由于轮胎滑水问题涉及轮胎自身的变形和与周围流体的耦合作用，因此，轮胎滑水分析无论是对于轮胎
还是汽车制造厂来说又是一个十分具有挑战性的问题。轮胎水滑问题数值仿真在20世纪80年代才开始进行。
Agra wall 和Henry 对2-D 轮胎模型做了简单
的滑水分析
[1]
;Gr ogger 和W eiss 对静态光面轮胎和
只有纵向花纹沟的轮胎模型进行了分析，得出了轮胎的临界滑水速度
[2]
;J.R.Cho 等利用自编程序对
比了只有纵向花纹沟的轮胎与真实花纹轮胎的滑水性能，并分析了轮胎滚动速度对轮胎与路面接触力的影响[3,4]
。
本研究将建立基于L s 2dyna 软件的轮胎有限元模型
[5]
，模拟轮胎滑水产生过程。对轮胎在干、湿
路面上运行时的接触力做出对比，分析滑水现象产
生的原因，在此基础上分析不同水膜厚度对滑水临界速度的影响。
1 轮胎滑水
2.1 轮胎滑水现象
当轮胎在水膜覆盖的路面上高速行驶时，由于流体的动压力使轮胎上浮的现象称为“滑水现象”。
图1描述了滑水现象的发生原理。在A 区，区域内流体动压力足以把胎面举起，从而使得胎面与路面完全脱离；在B 区，轮胎与路面间有薄水膜层，由于水的粘性润滑而使轮胎部分浮起；在C 区没有水膜，轮胎完全与路面接触
。
图1 滑水现象原理图
随着轮胎速度的提高,A 区和B 区就会沿接触长度扩展，直到胎面与路面彻底分离发生“滑水现象”，此时C 区将完全消失
[6]
。
影响轮胎滑水性能的因素有很多，诸如水膜厚度、车速、胎压、胎面花纹几何形状和深度等等，其中水膜厚度为最主要的影响因素。本文在对一选
定轮胎进行滑水仿真研究的基础上，还将分析水膜厚度对轮胎滑水临界速度的影响。1.2 轮胎模型建立
如图2所示，轮胎是一个由多种材料组成的复杂部件，其主要有花纹、胎体帘布层、带束层、胎侧、钢丝圈等。进行动态滑水仿真分析时，胎体和带束层如果采用连续实体单元，则会大量增加cpu 计算时间。因此，胎体和带束层用复合材料壳单元表征，其复合材料参数在实验基础上通过Hal p in 2Tsai 方程
[7]
获得;
花纹、胎面和胎侧离散为实体单元，采用Moonley 2R ivlin 超弹性材料。本文研究用轮胎花纹为纵横混
合花纹，花纹深度为8.16mm 。相对于轮胎而言，由于轮毂刚性较大，为了提高计算效率，轮毂采用刚体壳单元进行模拟。轮胎有限元模型如图3所示。
很大的影响。对于复杂花纹，难以将花纹块与胎体部分共节点建模。因此本文将胎面花纹和轮胎其余部分分别建模，然后将两者组合在一起。花纹块与胎体之间采用刚性固连，以此来解决带有复杂花纹轮胎的建模问题
。
图2 轮胎结构
1.3 水膜模型建立
为有效描述水膜与轮胎花纹间的流固耦合效果，在每个花纹沟槽宽度方向至少应有两个流体单元。水膜层和空气层均采用8节点连续实体单元，水膜层厚度为10mm ，空气层厚度为20mm 。为了达到足够的计算精度同时节省计算成本，仅将轮胎与水膜层接触区域的网格进行细化，如图4所示
。
图3 轮胎有限元模型
1.4 流固耦合
L s 2dyna 软件中有两种处理物体大变形问题的
方法，即欧拉(Euler )方法和任意拉格朗日欧拉方法(ALE )，欧拉方法能很好地处理流体流动等大变形
问题，因此此处用欧拉算法中罚函数耦合方法来处理轮胎与流体的耦合问题
。
图4 水的有限元模型
1.5 初始和边界条件的处理
三明二手车理论上，可以定义旋转的轮胎在覆水的路面上滚动，但是这种方法要求将水膜层沿纵向方向扩展至轮胎滚过的整个路面长度，会大大增加模型中流体单元数量，使计算成本大幅增加。因此，本研究模型中给路面指定一个纵向速度，通过轮胎与路面的摩擦从而使得轮胎具有一定角速度并在一固定福克斯svp
0003科 学 技 术 与 工 程9卷
的位置旋转。路面为刚性平面，动和静摩擦系数均为1.0
[8]
。
图5 速度加载曲线
轮胎在湿滑路面上的滑水仿真过程分析分成两个阶段：动力松驰阶段和瞬态阶段。动力松驰阶段给轮胎施加预应力:
(1)给轮胎内表面加压模拟轮胎的充气压力,
其大小为200kPa;
(2)给轮毂中心轴加垂直载荷模拟单个轮胎所
承受的车辆自重，其大小为3.92k N 。
瞬态阶段:
(1)指定路面一个纵向速度，由0持续加速到150km ・h
-1
，加速时间0.18s，如图5所示。
(2)给流体施加惯性力保证流体与路面以相同
速度运动(路面与水膜层相对静止)。
2 轮胎滑水仿真分析
本研究将轮胎与路面的接触力减少到零时轮胎的纵向运动速度定义为滑水临界速度。
轮胎滑水现象产生过程如图6所示。在速度为零时，水流开始随路面移动，尚未接触轮胎(图6a )。在速度为41.7km /h 时，轮胎已将水膜分开，楔形水膜沿接触区域中心挤入，水流进入轮胎花纹沟槽并沿花纹沟槽排出(图6b )。在速度为66.7km /h 时，由于此时速度较高，水流被轮胎花纹块甩成离散的块体状，并随速度的增大此趋势愈加明显(
图
图6 轮胎滑水产生过程
6c )。当轮速增大到135km /h 时，由于轮速太高而西岳论坛
使得水流无法及时从花纹沟槽中排出，胎面后端水膜成连续状即轮胎与地面的接触区域完全被水膜覆盖，由于水液膜的润滑作用使滑动摩擦系数大为降低，导致轮胎与地面的接触力下降，最终将轮胎抬离地面，发生“滑水现象”
(图6d )
。图7 干、湿路面上速度与力的关系
上述滑水现象产生过程中，轮胎与路面接触力和流体动压力的变化过程如图7所示。轮胎在湿滑路面上运行时，流体动压力随轮速提高而增大，导致轮胎与路面的接触力不断减小。轮速较低时轮胎振动频率较低，幅值较大，随后振动频率不断提高，幅值减小。当轮速到达某一临界速度(135km /h )时，轮胎与路面的接触力为零，水膜将轮胎抬离
1
00311期臧孟炎，等:32D 轮胎模型滑水仿真分析
地面(如图8所示)。轮胎在干路面上运行时，轮胎与路面的接触力始终保持在垂直载荷(3.92k N )附近波动
。
图8 轮胎被水膜抬起
3 不同水膜厚度对轮胎滑水临界速度
的影响
不同水膜厚度时轮胎与地面接触力的大小随轮速变化的关系曲线如图9所示。随着轮速提高轮胎与地面接触力不断下降；随着水膜厚度增加，同一轮速时轮胎与地面接触力变小。即水膜越厚，轮胎与地面接触力越先达到0，越先出现滑水。为了更加直观表示水膜厚度与临界滑水速度的关系，作曲线如图10所示。花纹厚度为8.16mm 时，轮胎在水膜厚度分别为8mm 、10mm 、12mm 、14mm 的湿滑路面上行驶时，其临界滑水速度分别为146k m /h 、135km /h 、125km /h 、112km /h 。轮胎的滑水
临界速度随着水膜厚度增加而降低，水膜厚度增加，轮胎的防滑性能变差
。
图9
不同水膜厚度轮速与轮胎与地面接触力关系
图10 水膜厚度与临界滑水速度的关系
4 结束语
(1)轮胎滑水产生的原因：轮速提高，流体动压
力增大，此力作用于轮胎抗压能力最为薄弱的位置———轮胎宽度对中线处，迫使轮胎接水区发生变形，随后不断扩大，导致轮胎与地面接触面积减小，摩擦系数降低，轮胎与地面接触力逐渐下降直至为零即轮胎被抬离地面。
(2)临界滑水速度与水膜厚度成反比，水膜厚
度越大，越危险。
(3)数值模型能较好地预测轮胎的打滑过程,
并验证了水膜厚度与临界滑水速度的关系，对轮胎的设计与改进具有一定的指导意义。
参 考 文 献
1 Agra wall S K,Henry J J.A si m p le tire defor mati on model for the tran 2
sient as pect f or hydr op laning .Tire Sci Technol,1980;8(3):23—362 Gr ogger H,W eiss M.Calculati on of the three di m ensi onal free sur 2
face fl ow ar ound an aut omobile tire .Tire Sci Technol,1996;24(1):39—49
3 Cho J R,Lee H W ,Sohn J S,et al .Numerical investigati on of hydr o 2p laning characteristics of three 2di m ensi onal patterned tire .Eur opean Journal of Mechanics A /Solids,2006;25:914—926
4 Cho J R,Lee H W ,Y ooW S.A wet 2r oad braking distance esti m ate uti 2
lizing the hydr oplaning analysis of patterned tire .I nternati onal Journal f or Nu mericalMethods in Engineering,2006;69(7):1423—1445
(下转第3008页)
Ana lyz i n g the D ynam i c Character isti c of the Traff i c
Flow Usi n g the EMD M ethod
XU Ting2ting,L I Ke2p ing
(State Key Laborat ory of Rail Traffic Contr ol and Safety,Beijing Jiaot ong University,Beijing100044,P.R.China)
[Abstract] The e mp irical mode decompositi on(E MD)method is a ne w method for analyzing data.E MD is used t o analyze traffic fl o w in comp lex net w orks.Studying s pacial traffic fl ow in net w orks and using mathe matical analy2 sis t o discuss the dyna m ical p r operties of these traffic fl ow,the p r oporti ons of traffic fl ow under different r oute length are p reli m inary studied t o find main r outes and notes.Results indicate that the traffic fl ow,f or med bet w een neigh2 boring cities,takes main p r oporti on in the net w ork syste m and mainly distributes in the several i m portant r outes. [Key words] E MD method traffic fl ow random walk model
(上接第3002页)
5 Hallquist J O.LS2DY NA key word user’smanualmersi on970.L iver2 more Soft w are Technol ogy O r porati on;2003
6 庄继德.现代汽车轮胎技术.北京：北京理工大学出版社,2001
7 W alter J D,Patel H P.App r oxi m ate exp ressi ons for the elastic con2
stants of cord rubber la m inates.Rubber Che m Technol,1979;52: 710—724
8 Toshihiko Okano,Masataka Koishi，高 明，等.采用Dytran软件进行轮胎水滑特性研究.轮胎工业,2007,27(5):274—280
S im ul a ti on Ana lysis of Hydropl an i n g Character isti cs of32D Pa tterned T ire
Z ANG Meng2yan,Z HU L in2pei,YING Zhuo2fan
(South China University of Technol ogy Guangzhou510640,P.R.China)
[Abstract] The finite ele ment model of32D patterned tire is created based on L s2dyna s oft w are.Thr ough Si m ula2 tive calculati on,the p r ocess which wedge2shaped water fil m gradually squeeze int o tire tread gr ooves and drained thr ough the tire gr ooves is si m ulated.The relati onshi p bet w een the contact f orce and wheel s peed are obtained when tire r otated in the dry and wet r oad.And the relati onshi p bet w een the thickness of water fil m and hypdr op laning ve2 l ocity is confir m.This study is significant f or tire design and i m p r ove ment.
[Key words] hydr op laning of patterned tire L s2dyna fluid2structure interacti on
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