輪胎模型課件

輪胎模型

一、輪胎模型簡(jiǎn)介

二、ADAMS/TIRE三、輪胎的特性文件2009年1月輪胎是汽車重要的部件，它的結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)特性決定著汽車的主要行駛性能。輪胎所受的垂直力、縱向力、側(cè)向力和回正力矩對(duì)汽車的平順性、操縱穩(wěn)定性和安全性起重要作用。輪胎模型對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)的發(fā)展及仿真計(jì)算結(jié)果有很大影響，輪胎模型的精度必須與車輛模型精度相匹配。因此，選用輪胎模型是至關(guān)重要的。由于輪胎具有結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和力學(xué)性能的非線性，選擇符合實(shí)際又便于使用的輪胎模型是建立虛擬樣車模型的關(guān)鍵。一、輪胎模型簡(jiǎn)介輪胎建模的方法分為三種：1）經(jīng)驗(yàn)—半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ歪槍?duì)具體輪胎的某一具體特性。目前廣泛應(yīng)用的有MagicFormula公式和吉林大學(xué)郭孔輝院士利用指數(shù)函數(shù)建立的描述輪胎六分力特性的統(tǒng)一輪胎半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚒niTire，其主要用于車輛的操縱動(dòng)力學(xué)的研究。2）物理模型根據(jù)輪胎的力學(xué)特性，用物理結(jié)構(gòu)去代替輪胎結(jié)構(gòu)，用物理結(jié)構(gòu)變形看作是輪胎的變形。比較復(fù)雜的物理模型有梁、弦模型。特點(diǎn)是具有解析表達(dá)式，能探討輪胎特性的形成機(jī)理。缺點(diǎn)是精確度較經(jīng)驗(yàn)—半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒?，且梁、弦模型的?jì)算較繁復(fù)。二、ADAMS/TIRE輪胎不是剛體也不是柔體，而是一組數(shù)學(xué)函數(shù)。由于輪胎結(jié)構(gòu)材料和力學(xué)性能的復(fù)雜性和非線性以及適用工況的多樣性，目前還沒(méi)有一個(gè)輪胎模型可適用于所有工況的仿真，每個(gè)輪胎模型都有優(yōu)缺點(diǎn)和適用的范圍。必須根據(jù)需要選擇合適的輪胎模型。ADAMS/TIRE分為兩大類：一）.用于操穩(wěn)分析的輪胎模型魔術(shù)公式是用三角函數(shù)的組合公式擬合輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用一套形式相同的公式完整地表達(dá)輪胎的縱向力、側(cè)向力、回正力矩、翻轉(zhuǎn)力矩、阻力矩以及縱向力、側(cè)向力的聯(lián)合作用工況，主要包括以下的前四種模型。1）魔術(shù)公式輪胎模型（MF—Tyre）根據(jù)仿真工況的不同可在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)之間切換模型，考慮了輪胎高速旋轉(zhuǎn)時(shí)陀螺耦合、側(cè)偏和縱滑的相互影響，外傾對(duì)側(cè)偏和縱滑的影響。適用范圍：有效頻率到8Hz，是點(diǎn)接觸模型，只能用于平路面（路面起伏的波長(zhǎng)必須大于輪胎的周長(zhǎng)）。2）Pacejka89、Pacejka94由提出者Pacejka教授根據(jù)其發(fā)布年命名的，是穩(wěn)態(tài)側(cè)偏模型，不能用于非穩(wěn)態(tài)工況。適用范圍：有效頻率到0.5Hz，當(dāng)與2D路面作用時(shí)是點(diǎn)接觸；當(dāng)與3D路面作用時(shí)，等效貫穿體積的方法來(lái)計(jì)算垂直力，等效法假設(shè)輪胎胎體是圓筒，必須在輪胎文件的[形狀]模塊輸入了輪胎胎體橫剖面。3）

PAC2002模型Pacejka的后期發(fā)展,PAC2002和MF—Tyre具有相同的功能，但改善了模型的翻轉(zhuǎn)力矩，已經(jīng)取代了MF—Tyre。適用范圍：有效頻率到8Hz，主要用于操穩(wěn)的仿真分析。4）PACMC模型，是專門用于摩托車輪胎模型，有效頻率到8Hz，適合于大外傾角的工況。5）Fiala模型是彈性基礎(chǔ)上的梁模型，不考慮外傾和松弛長(zhǎng)度。當(dāng)不把內(nèi)傾角作為主要因數(shù)且把縱向滑移和橫向滑移分開(kāi)對(duì)待的情況下，對(duì)于簡(jiǎn)單的操縱性分析可得到合理的結(jié)果。適用范圍：有效頻率到0.5Hz，可以用于二維和三維路面，當(dāng)與2D路面作用時(shí)是點(diǎn)接觸；當(dāng)與3D路面作用時(shí)，等效貫穿體積的方法來(lái)計(jì)算垂直力。二、用于耐久性分析的輪胎模型三維接觸模型，考慮了輪胎胎側(cè)截面的幾何特性，并把輪胎沿寬度方向離散，用等效貫穿體積的方法來(lái)計(jì)算垂直力，可以用于三維路面。該模型是一個(gè)單獨(dú)的License，但是如果用戶只購(gòu)買DurabilityTIRE，只能用Fiala模型計(jì)算操穩(wěn)。除了上述兩類模型以外，還有環(huán)模型，作為子午線輪胎的近似，研究輪胎本身的振動(dòng)特性，成為國(guó)際上仿真輪胎在短波不平路面動(dòng)特性的主流模型，是目前發(fā)展比較成熟和得到商業(yè)化應(yīng)用的輪胎模型，其中具有代表性的是F-tire和SWIFT輪胎模型。SWIFT模型（ShortWaveIntermediateFrequencyTIREModel）SWIFT模型是由荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)和TNO聯(lián)合開(kāi)發(fā)的，是一個(gè)剛性環(huán)模型，在環(huán)模型的基礎(chǔ)上只考慮輪胎的0階轉(zhuǎn)動(dòng)和1階錯(cuò)動(dòng)這兩階模態(tài)，此時(shí)輪胎只作整體的剛體運(yùn)動(dòng)而并不發(fā)生變形。在只關(guān)心輪胎的中低頻特性時(shí)可滿足要求。由于不需要計(jì)算胎體的變形，剛性環(huán)模型的計(jì)算效率大大提高，可用于硬件在環(huán)仿真進(jìn)行主動(dòng)懸架和ABS的開(kāi)發(fā)。在處理面外動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí)，SWIFT使用了魔術(shù)公式?？捎糜谘芯恳恍?fù)雜的工況,例如:不平路面的側(cè)偏和ABS制動(dòng)。在處理輪胎-地面的接觸問(wèn)題時(shí),SWIFT采用了等效路形的方法，所用的等效路形是由一個(gè)專門的包容模型算出來(lái)的。所以,SWIFT模型要自帶一個(gè)包容模型來(lái)提供等效路形，這也是它的缺點(diǎn)之一。適用范圍：有效頻率為60-100Hz，可用于短波不平路面。注：SWIFT模型所用到的路面模型要有合適的采樣間隔，否則會(huì)應(yīng)用以內(nèi)插值替換的數(shù)據(jù)，采樣間隔一般為0.1~0.2m或者更大。FTire的優(yōu)點(diǎn)具有完全的非線性；頻率可達(dá)120-150Hz甚至更高；對(duì)波長(zhǎng)降到輪胎接地尺寸一半的小障礙物，能夠得出有效的結(jié)果；具有高精度的輪胎穩(wěn)態(tài)特性；當(dāng)通過(guò)凹凸不平的路面時(shí)，能提供很高的精度；計(jì)算時(shí)間為實(shí)時(shí)5-20倍；能識(shí)別很多不同格式的路面文件。FTire的缺點(diǎn)F-tire模型所需參數(shù)很多,獲取這些參數(shù)需要做輪胎的模態(tài)試驗(yàn)以及不同壓力和滑移速度下胎面橡膠的摩擦特性試驗(yàn),其費(fèi)用較高。在使用時(shí),要求用戶對(duì)該模型有相當(dāng)?shù)牧私獠⒛苷_測(cè)取參數(shù)。適用范圍：有效頻率高達(dá)120-150Hz；可用于短波不平路面，即障礙物的尺寸可以小于輪胎的印跡；可對(duì)不同的種類的振動(dòng)激勵(lì)作出響應(yīng)；可在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的地面和各種各樣的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行仿真；可在三維路面上進(jìn)行耐久性分析；在水平路面和隨機(jī)路面上對(duì)車輛的牽引和操縱性進(jìn)行仿真分析；可進(jìn)行高動(dòng)力懸浮控制系統(tǒng)對(duì)輪胎影響的評(píng)估。主要是針對(duì)乘坐舒適性（不平路面的制動(dòng)、側(cè)偏，不同速度的越過(guò)障礙物以及4柱激勵(lì)試驗(yàn)臺(tái)）、耐久性以及操縱性能（ABS制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離，汽車的原地轉(zhuǎn)向等）方面的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。此外，該模型的逼真度、細(xì)節(jié)和計(jì)算速度之間提供了一個(gè)有效的折衷方法，在頻域提供了有效地分析結(jié)果，容易從輪胎的測(cè)量數(shù)據(jù)中獲得模型參數(shù)。PAC89PAC94PAC2002FialaUA5.2.1SWIFTFTire穩(wěn)態(tài)側(cè)偏可用適合適合可用可用可用適合可用崎嶇路上轉(zhuǎn)彎可用可用適合可用移線可用可用適合可用可用可用適合可用ABS制動(dòng)可用適合適合原地轉(zhuǎn)向可用可用適合可用可用可用適合可用擺振可用可用適合適合平順性適合適合懸架控制系統(tǒng)的頻率大于8Hz適合適合耐久性可用可用以下的路面模型需要各自軟件的安裝環(huán)境和許可證所有Adams軟件中的.xml路面文件；所有的Simpack?路面模型；所有由TYDEX/STI給出的標(biāo)準(zhǔn)道路格式文件；IPG路面（IPG汽車公司提供的）；URM道路（利用簡(jiǎn)單的程序編程的道路模型）；用戶自定義的模型。FTire是高分辨率物理輪胎模型，需要每秒數(shù)百萬(wàn)次評(píng)價(jià)路面，為了實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間分辨率，路面模型選擇很重要。RGR路面（規(guī)則的柵格路面）是一個(gè)高分辨率的路面模型，它采用等距網(wǎng)格避免尋找三角單元的節(jié)點(diǎn)，可選帶有弧形中心線，是特別適合以滿足需求的效率，準(zhǔn)確性和靈活性的路面模型。因此，除了簡(jiǎn)單的幾何參數(shù)的障礙路面模型，RGR路面是FTire的首選路面描述方法。FTire

RoadModelEfficiencyComparsionTriangulatedRoad3DTeimOrbitRGRASCIIdatafileRGRbinarydatafileRGRbinarydatafile+curvedcenterlinenodes1486743148674314867431486743triangles2968000---153.74MB12.88MB5.80MB6.02MBmemoryamount237.80MB5.80MB5.80MB5.91MBtime95.75s0.73s0.21s0.28s相對(duì)于不規(guī)則三角網(wǎng)格路面，RGR道路提供大量和可擴(kuò)展的減少文件大小，減小內(nèi)存的需求，減少文件加載時(shí)間和CPU評(píng)價(jià)的時(shí)間。FTire提供了一個(gè)輔助程序FTire/roadtools工具箱來(lái)產(chǎn)生，分析和處理所有的道路文件，包括RGR路面模型。FTire/roadtools易于使用的圖形用戶界面（GUI）

四、輪胎的特性文件主要包括以下幾個(gè)模塊：[MDIHEADER]標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)塊(定義文件格式、版本等)；[SHAPE]形狀數(shù)據(jù)塊（定義輪胎的半徑和寬度）；[NUITS]單位數(shù)據(jù)塊；[DIMENSION]尺寸數(shù)據(jù)塊（定義