轮胎模型逼真度对偏置碰撞仿真的影响分析

３轮辋的剐度
轮辋是支撑整个轮胎的重要组成部什。在正 面４帆重叠可变形壁障碰撞过程中．仪有车身单 侧结构来承受碰撞过程巾的绝人部分的碰撞力，
轮辋是碰撞力向门槛伯递的条重要的路径，轮 辋刚度的大小直接影响着整个轮胎的变形情况及
１：偏置碰捕仿真－｝Ｉ通过定义关键字＋［ＮＩＴ【ＡＬ—
ＶＥＬＯＣＩＴＹ＿ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ来模拟轮胎绕轮轴旋
（１．Ｓｔａｔｅ
Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｂｏｄｙ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ
４１００８２，Ｃｈｉｎａ：２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍｏｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）
转。同时，赋予车轮与地面的雎擦系数采模拟真
实实验中的车轮与地面的摩撺。
对碰撞力的传递。
万方数据
第１期
曹ｉ硅等轮胎模■｛真度对偏目碰撞仿真的影响分析
参数调档后轮胎的气压为２４ｕ ｋＰａ、轮腑设簧绕轮 轴转幼、轮辋材抖弹性｝《最为２００ ＧＰａ。通过计算 机仿真分析，分别尉参数调鹎Ｊ亓的整１加ｉ韭度， 门槛处的受山情况咀殷防火墙的侵八量＋０参数调 整前的站粜进行比较，并将仿真结果’，实验结果 对比分析。
胎面和侧胎面的胎体和帘线具备备向异性ｏ”，因 此，在整午碰撞有限元仿真－｛，，将外胎面、侧胎 面看作不同的部件进行模拟．通常均用壳午兀进 行模拟。由胎面和轮毂所组成的脐内空腔结构， 装满了一定压力的气体。为了能够准确地模拟轮 胎山的充气压力，秉用ＷＡＮＧ—ＮＥＦＳＫＥ等人研 究的气囊均匀压力模掣．运用体积控制算法计算 理想气体的压力。通过改变ｔＡＩＲＢＡＧｊＩＭＰＩ。Ｅ＿
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幽２十同鞋峙胎』￡时的轮胎肚车体变ｍ
如图２（ａ）、（ｂ）所ｄｉ。从仿真结果中发现，给定 不同的胎压，轮胎的变形有着明显的不同。随着
轮胎气压的增加，轮胎的变形较符台真实情况Ｆ
的变形，但轮胎的气压达到一定大小后，轮胎变 形没有明显的变化。
碰撞仿真中的影响．为提高整车仿真精度提供依
据。
ｌｋ轮胎模型的建立
在整４三有限元仿真中，轮腑的几何模型足根
消耗的重要部件．同时也屉碰撞山传递的条重 要路径，台理的轮胎结构设计可及时肯教地将前
机舱未消耗的碰撞能量传递到门槛上，让车身后
据实际轮胎的结构简化而得到的，就轮胎丰身的 结构特点斯言．可将轮腑分为胎面（其一｛－义分为 山外胎而和侧胎面）、轮毂、轮辋等部分，轮胎
ａｄｊｕｓｔｉｎｇ
ｔｈｒｅｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｉｒｅ；ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ
ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｆｉｄｅｌｉｔｙ
随着汽车保有量的增加，汽车的安全性越来 越受到人们的关注。实车碰撞试验一直是衡量汽 车安全性能的重要标尺，但实车碰撞试验存在着 成本较高和重复性较差等问题，为了节省开发成 本和缩短开发周期，整车碰撞仿真技术应运而生。
ＤＯｈ １０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５—１４６９．２０１１．０１．００６
Ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｎ
ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｔｉｒｅ
Ｍｏｄｅｌ
Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ
Ｏｆｆｓｅｔ Ｉｍｐａｃｔ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
Ｃａｏ Ｌｉｂ０１，Ｚｈａｎｇ Ｔｅｎｇｔｅｎ９１，Ｓｈａｏ Ｆｅｉｄａｌ，Ｌｉ Ｂｉｈａ０２
轮轴通过圆杜饺模拟，斗施加轮胎绕轮轴的旋转
通过给定多种轮胎气压值对整乍偏置碰撞进 行有限元仿真，得到不同的轮胎变Ｊ口情况。其中，
轮胎胎压为Ｌ８０ ｋＰａ和２４０ ｋＰａ时的轮胎变形情况
角速度，精确的轮腑有限元模型如阁１所示。
万方数据
垦三三垦！堡
里－兰
在４０％正而偏置碰撞仿真中，轮胎的转动使 模型中总能量增加约４７
从Ｂ辊ｒ Ｆ＾的整年碰撞加速度曲线考察，参数 调整日Ⅱ后的仿真结果对比如图５所示。轮胎横型调
整前，整车最大加速】斐峰｛ｄ为４０ ｌｇ；轮腑模型调 整后，整车最凡加速度峰值为３６ ８９。ｉｉ＿ｉ寅验－｝・的
最人加速度☆￥值为３５ ２９，“且最人加速度峰值出 现的时刻与实验值巫』ｌ¨接血。同时，存８０啷时ｒ１
汽车轮胎学【Ｍ］北京：北京理］。大学小版
［３
ＷＵ Ｓ Ｒ，ＧＵ Ｌ・ＣＨＥＮＨ Ａｉｌｔａｇｔｌｍｍｏｄｅｌｉｎｇ ｂｙｌｈｅ
ｅｘｐｌｉｃｉｔｌｙ
ｆｉｎｉｔｅ ｆｆ］ｃｍｅｎｌ ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］Ｔ１ｍ ＳｃｉｅｎｃｅⅫｄ ２５（４）：２８８—３００
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｉｒｅ ｗｉｔｈ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ
ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄａｔａ
ｏｎ ａ
ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｃａｒ．Ｔｈｒｅｅ
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２２ ８
汽车Ｉ程学报
第１卷
分析调整轮胎参数前后的结果对比可知，当
轮胎的Ｊ｛ｆｉ出为１８０ ｋＰａ，轮胎设置｛；旋转，以及轮
胎的轮辋刚度较小时，轮胎的变形较大，轮辋不
足以传递偏置碰撞中的碰撞力，ｉ刊时门槛处碰撞 力传递不均匀．波动变化较大，不利于碰撞能量
第１卷第１期 ２０１１年３月
Ｃｈｉｎｅｓｅ
汽车工程学报
Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖ０１．１
Ｎｏ．ｉ
Ｍａｒ．２０１ｌ
轮胎模型逼真度对偏置碰撞仿真的影响分析
曹立波１，张滕滕１，邵飞达１，李碧浩２
（１．湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点试验室，湖南，长沙４１００８２ ２．上海汽车集团股份有限公司技术研究中心，上海２０１８０４）
育接和地面接触部分有外胎面和侧胎面。山ｆ外
端更多部件参与能量的吸收。同时，轮胎在碰撞 过程中的旋转‘，滑彳亍也将消耗一部分碰撺能量。
轮胎的气压、轮胎的旋转、轮辋的刚度等足 轮胎的３个甩婴特性参数．在不同程度Ｅ埘正血 偏置碰撞结果有着一定的影响。 ２１轮胎的气压 率次研究的轮胎型号足２１５／５０９１７。根据
ｍａｊｏｒ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｉｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，
ｏｎ
ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ，ａｎｄ ｒｉｍ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｗｅｒｅ ｖａｒｉｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅｉｒ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ
ｔｈｅ ｆｉｄｅｌｉｔｙ ｏｆ
ｖｅｈｉｃｌｅ ｃｒａｓｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔａｌ ｉｍｐａｃｔ ｗｉｔｈ ４０％ｏｆｆｓｅｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｆｉｒｅｗａｌｌ ｉｎｔｒｕｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｉｌｌ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ａ ｔｉｒｅ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｇｏｏｄ ｆｉｄｅｌｉｔｙ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．
槛处的槭叫山的波动明娃减小．门槛｛々递的蛙人力 有所增加．有助丁碰撞山的台理传递。
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Ｉｄ ｊ＃散峭惟ｍ后枷娅座¨门槛饭血ｎ的对比 表２乘员舵内关键部件侵＾量对比表
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万方数据
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ｕ．这些能量最终将转
化为壁障的变形能和摩擦能。同时．在碰撞的过
程－Ｉ－，轮胎的转动将对壁障产生负２向的切向力，
加大了壁障在ｚ向的变形。凹３（ａ）所示为有社！有
轮胎旋转所产乍的壁障变形情况的对比．轮胎的
旋转使壁障的ｚ向变Ｊ口较大。可变形壁障变形后
其Ｈ口端下表而距地面的高度对比见表ｌ。
表１可变形壁障下表面距地高度Ｈ
飘曦麟隧一
的传递。当轮胎的胎压为２４０ ｋＰａ．增加轮辋的Ｈｕ 度，同时赋予与宴验中相同的旋转速度时，轮胎 的变肜较台理．在＿ｊ｛＿＝引起门槛变形的情况Ｆ传递 到门槛上的截面力较大，使仿真中的模型更准确． 与实验结粜的吻台度更高。
ｌｋ结论
轮胎在甍车正面偏置碰撞仿真中起到重要的
飘躁麟雕一
凹６调整前后防火墙侵＾量ｉ目的对Ｍ固
摘要：根据国内某量产车参数建立了具有旋转自由度的轮胎有限元模型，利用该模型开展整车４０％偏置正面碰撞仿 真分析，研究了轮胎的气压、旋转自由度和轮辋的刚度等３个主要轮胎模型特性参数对整车模型逼真度的影响。通过 调整轮胎模型参数，并对比仿真结果与试验结果得知，这些特性参数对整车加速度峰值大小、防火墙最大侵入量和门 框受力大小均有明显的影响，通过调整得到了一组逼真度较高的轮胎模型参数。 关键词：轮胎；耐撞性；有限元仿真；逼真度 中图分类号：Ｕ４６３．３４１ 文献标志码：Ａ
ＰＲＥＳＳＵＲ—ｖＯＬＵＭＥ中的ＣＮ参数调整轮胎内的
Ｃ－ＮＣＡＰ中规定，实验前各轮胎气压应调至乍辆半
载时制造厂所规定的气压值。同时．国家标准ＧＢ
２９７７
８９和ＧＢ
２７９８ ８９
ｒ１１也对轮腑。ｔ压做ｒ相关
规定，仿氨分析中将轮胎模型的气雎值诵眭在１６０
至２８０ ｋＰａ范围内。
气压值，根据实验值来设置轮胎压力”。轮胎与
传力作用。轮胎胎压、轮辋刚度及轮胎在碰撞过 程中是否旋转等参数设定对整车正面偏置碰撞仿 真结果有较重要的影响．直接影响到整牟加速度 峰值、门槛传力大小蛆及防火墙的侵入量等。轮
从对防火墙的最大侵入量来考察．参数调整 前后的防火墙侵入量云图对比如图６所示。表２
所示为参数调整酊后乘员舱内关键部件的侵入量 的对比。由表２町知，模型滴整后的各懂八量值 与实验值更＾Ｉｌ接近。
整轮胎模型的相芙参数，得到ｂ－实验结果｛ｆｌ台度较 高的单个轮胎模型“１’。然而＋对于轮胎在正面偏 置碰撞仿真中的影响还较少仃＾研究，
■■
同１轮胎的自№Ⅱ模型
在正面４＆／ｏ的偏置碰撞中，车身一侧承受柬 自整午的碰捕力．轮胎与乍身Ａ柱下端的接触使
碰摘力的传递路径发佳变化，轮胎成为碰撞力传 递的一条重要路径。因此，轮腑模拟精度１ｉ整车 仿真结果存在轻大相关性。本文以菜国产牟的轮 胎为研究对鲸．分析其特性参数在正１１１１ ４０％偏置
２ ２轮胎的转动
在实乍碰搏实验中，轮胎足可转动的。而在 咀前的整车有限兀仿真模型中．轮腑通常都简化 成没有旋转的。轮胎的旋转与否，使其与地面所
产生的滑动摩擦和滚动摩擦也有所｛ｉ同，进而影 响碰撞能量的消耗情况。 为了与实验中的状态衅量接近．本文在整
２
墨
㈣ｂ
十∞■■ⅡｍⅧ
吲３轮胎转动与否的壁障变形仿真与试验对比圈
万方数据
１
轮胎是车辆的重要组成部件，也是斗＝辆与地面 接触的唯部件。由丁轮胎的材料平¨结构往整１：性
１一』堕塑！堕型ⅢＭ目％ｉ№＃６塑！日绁
能仿真中的特殊性，再加上胎内空腔气体的气压作
用，轮胎的模拟精度埘整车性能的仿真结果有着一
定的影响究，根据轮胎的刚度实验结果，调
胎胎压和轮辋材料弹性模量较小，及轮胎未设置 成转动时，轮胎变形较大，门槛处碰掩力峰值波 动较大。从仿真与实验结果对比可知．建立较为 准确的轮胎仿真模型，对提高整车偏置碰撞仿真 的逼真度具青重要意义。
参考文献（Ｒｏｆｅｆｅｎｃｅ５） ‘１］ｍ继德
＃．［９９６ Ｚｂｕａｎｇ／ｉｄｅ
］ｎｓｔｌｍｌｅ Ａｕｔｏ ｍｏｌｌｖｅ
收稿日期：２０１０－１２－０１
要使汽车碰撞仿真结果与实车碰撞结果一致，每
个部件的模型及其特性参数都应该尽量接近真实 情况。然而，模型精度与计算时间通常是一对需 要取舍的矛盾，在节省计算时间的同时必须保证 足够的精度。
基金项目：教育部长江学者与创新团队发展计划资助项目（５３“０５０５００３７）： 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主课题（６０８７０００４）
轮胎的特性参数厦其对正面偏置碰撞仿 真的影响
轮腑是由高孛ＩＩ性模靖的乘性｝ｒ维、制丝帘线 和低弹性模量橡胶组成的复台材料结构。这种各
向异性的结构本身不具备较大的承城能力，但是
当先入额定压力的气体时却能承受较大的载荷， 同时又Ｈ有较强的碰掩力学特性”４。在汽乍４０％ 偏置正面碰掩的有限元仿真中，轮胎是碰撞能量