CN105138796A - 一种用于整车振动噪声仿真的模态轮胎建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于整车振动噪声仿真的模态轮胎建模方法，其在设定的载荷、胎压条件下，通过轮胎实际结构尺寸、材料属性得到精确的轮胎有限元模型，再通过缩减将轮胎有限元模型转化为用于整车线性分析的轮胎缩减模型，该轮胎缩减模型与整车NVH有限元模型相匹配，从而实现在NASTRAN软件中开展轮胎模型和振动噪声性能仿真，为道路振动噪声性能仿真提供了一种新的方法。该发明为一种工程化的轮胎建模方法，并将轮胎整体有限元模型进行自动缩减，工程师即可通过该轮胎建模方法创建轮胎有限元模型，同时利用自动缩减程序获取用于整车振动噪声虚拟仿真的模态轮胎模型，解决了路面激励车内振动噪声虚拟仿真这一关键技术。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于整车振动噪声仿真的模态轮胎建模方法，属于模态轮胎建模技术领域。
背景技术
汽车在相对粗糙的路面上以一定的速度匀速行驶时，由路面不平度所产生的激励通过轮胎传递到车体结构上，最终在车内产生振动与噪声的响应。由于轮胎自身特性，在路面激励传递过程中，激励经过轮胎时可被过滤或者放大，因此轮胎的结构很大程度上影响了整车在路面激励下的NVH性能。在仿真领域中，通过加载路面不平度谱的方式进行整车振动与噪声仿真计算时，便需要建立准确的轮胎模型，从而满足轮胎结构对路面激励的传递影响。但由于轮胎自身组成相对复杂，轮胎详细有限元模型单元数量较多，同时轮胎在汽车行驶工况下为充气、承载、接地的状态，此状态下的轮胎详细有限元模型将与整车模型装配后开展振动噪声性能的线性计算，实际上这种分析为在结构大变形的基础上开展小变形的线性计算，因此基于传统的详细有限元模型难以实现上述分析。
在工程中，国内研发企业通常采用刚性轮胎来代替真实轮胎模型，刚性轮胎通过刚性单元将真实轮胎简化成刚性结构，目的是通过这种简单的方法忽略轮胎对路面激励的耦合作用，这也是为了开展整车NVH性能分析而作的粗略地简化。目前一些企业为了规避模态轮胎，则考虑通过轮心加载载荷谱的方式模拟整车路面激励下的振动与噪声性能。但是这种方法在产品开发流程中存在弊端，不能在产品开发前期实现CAE技术性能把控的优势。另外如专利申请公布号为CN104390794A所公开的基于转鼓试验台测试数据预测轮胎平路面力学特征的方法中，利用ABAQUS软件对测试轮胎建模，并分别仿真其在内、外转鼓路面上的运动，用内、外转鼓试验台测试数据同时修正轮胎模型，并用修正后的精确轮胎模型在平路面上仿真此设定条件下的轮胎运动，来预测其平路面力学特性，该方案仅采用转鼓试验台测试数据通过有限元技术就能有效地消除路面曲率的影响，得到轮胎在平路上的力学特性；而专利申请公布号CN104236929A所公开的一种消除轮胎纵向力偏移的纵滑试验方法，采用轮胎滚动阻力为零状态时的有效滚动半径控制试验过程的滑移率，实现轮胎纵滑特性的纵向力与滑移率关系曲率通过(0，0)点，利用无纵向力偏移的试验数据建立轮胎经验或半经验纵向力模型时，不必在模型中考虑水平偏移和垂直偏移，减少模型参数进而简化轮胎建模。
为了开展整车NVH性能计算，需要建立一种用于整车振动噪声仿真的轮胎模型建模方法，目前在汽车企业中，整车振动与噪声性能的模拟通常在商用化软件NASTRAN中开展，而具有非线性特征的轮胎模型可以在ABAQUS软件中建立的有限元轮胎模型实现缩减，得到既包括轮胎力学特性，又可集成在整车有限元模型中通过NASTRAN软件实现振动噪声仿真计算的模态轮胎。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于整车振动噪声仿真的模态轮胎建模方法，使仿真工程师能快速地建立轮胎模型，并将其模型有效地用于路面不平度激励引起的整车振动和噪声虚拟仿真中。
本发明的技术方案如下：
一种用于整车振动噪声仿真的模态轮胎建模方法，其在设定的载荷、胎压条件下，通过轮胎实际结构尺寸、材料属性得到精确的轮胎有限元模型，再通过缩减将轮胎有限元模型转化为用于整车线性分析的轮胎缩减模型，该轮胎缩减模型与整车NVH有限元模型相匹配，从而实现在NASTRAN软件中开展轮胎模型和振动噪声性能仿真，为道路振动噪声性能仿真提供了一种新的方法，至少包括以下步骤：
S1、在设定载荷、胎压条件下，依据轮胎的设计几何参数、材料特性，利用有限元软件ABAQUS对仿真轮胎建模，生成平面内的轮胎截面几何模型；
S2、通过有限元软件ABAQUS设定轮胎接地、胎压、与轮毂装配的状态，结合S1步骤中生成的轮胎截面几何模型，仿真设定状态下轮胎的力学特性，得出在整车装配工况下仿真力学特性的轮胎截面有限元模型；
S3、通过S2步骤中生成的轮胎截面有限元模型，由MATLAB程序生成轮胎整体有限元模型，并在ABAQUS软件中得到轮胎模态特性的仿真结果；
S4、建立缩减程序，通过缩减程序对S3步骤中生成的轮胎整体有限元模型及仿真结果进行模型缩减，得到缩减后的模态轮胎模型。
进一步的，S1步骤中的设计几何参数包括轮胎内部可预测轮胎力学特性的所有组成结构的几何信息，该组成结构包括有钢丝圈、钢丝带束层、三角胶、帘布层、胎侧结构及胎面；S1步骤中的材料特性包括对应所述所有组成结构的材料属性。
进一步的，S3步骤中，MATLAB程序创建“INPcreater.exe”，结合S2步骤中的轮胎截面有限元模型，得出轮胎整体有限元模型文件。S4步骤中，缩减程序创建“MTcreater.exe”，将S3步骤中生成的轮胎整体有限元模型缩减成力学特性等效的模态轮胎模型，此模态轮胎模型可与整车有限元模型进行匹配，从而开展路面激励工况下的车内振动噪声仿真计算。
本发明提供了一种工程化的轮胎建模方法，并将轮胎整体有限元模型进行自动缩减，工程师即可通过该轮胎建模方法创建轮胎有限元模型，同时利用自动缩减程序获取用于整车振动噪声虚拟仿真的模态轮胎模型，解决了路面激励车内振动噪声虚拟仿真这一关键技术。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明中轮胎截面有限元模型图；
图3为本发明中轮胎整体有限元模型图；
图4是缩减后的模态轮胎模型图。
附图标记说明：1-轮辋；3-轮胎整体三维有限元模型；4-PLOT单元；5-零长度质量与弹簧单元重合点；6-MPC单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
一种用于整车振动噪声仿真的模态轮胎建模方法，其特征在于，在设定的载荷、胎压条件下，通过轮胎实际结构尺寸、材料属性得到精确的轮胎有限元模型，再通过缩减将轮胎有限元模型转化为用于整车线性分析的轮胎缩减模型，该轮胎缩减模型与整车NVH有限元模型相匹配，从而实现在NASTRAN软件中开展轮胎模型和振动噪声性能仿真，为道路振动噪声性能仿真提供了一种新的方法，至少包括以下步骤：
S1、在设定载荷、胎压条件下，依据轮胎的设计几何参数、材料特性，利用有限元软件ABAQUS对仿真轮胎建模，生成平面内的轮胎截面几何模型；
S2、通过有限元软件ABAQUS设定轮胎接地、胎压、与轮毂装配的状态，结合S1步骤中生成的轮胎截面几何模型，仿真设定状态下轮胎的力学特性，得出在整车装配工况下仿真力学特性的轮胎截面有限元模型；
S3、通过S2步骤中生成的轮胎截面有限元模型，由MATLAB程序生成轮胎整体有限元模型，并在ABAQUS软件中得到轮胎模态特性的仿真结果；
S4、建立缩减程序，通过缩减程序对S3步骤中生成的轮胎整体有限元模型及仿真结果进行模型缩减，得到缩减后的模态轮胎模型。
进一步的，S1步骤中的设计几何参数包括轮胎内部可预测轮胎力学特性的所有组成结构的几何信息，该组成结构包括有钢丝圈、钢丝带束层、三角胶、帘布层、胎侧结构及胎面；S1步骤中的材料特性包括对应所述所有组成结构的材料属性。
进一步的，S3步骤中，MATLAB程序创建“INPcreater.exe”，结合S2步骤中的轮胎截面有限元模型，得出轮胎整体有限元模型文件。S4步骤中，缩减程序创建“MTcreater.exe”，将S3步骤中生成的轮胎整体有限元模型缩减成力学特性等效的模态轮胎模型。此模态轮胎模型即可与整车有限元模型进行匹配，从而开展路面激励工况下的车内振动噪声仿真计算。
图1为本发明的实施流程图，直接以一个轮胎实例按照本发明提供的模态轮胎建模方法进行具体实施过程的说明。
第一步：根据待分析轮胎的截面几何信息，在ABAQUS软件中创建轮胎有限元模型，建模过程中通过轮胎轮廓图的中心线，只创建轮胎截面一半的结构进行后续分析，生成的轮胎截面半模型如图2所示。结构中钢丝圈和钢丝带束层定义为弹性材料，而胎面、三角胶、气密层和胎侧结构均通过Neo-Hookean模型定义为超弹性材料，尼龙材料通过Marlow超弹性模型定义其材料属性。
第二步：为了模拟轮胎充气受力过程，在ABAQUS软件中利用刚性单元建立轮辋1，如图2所示，在模型中刚性轮毂显示为一条“线”的形式，并将参考点命名为RIM-1_Rim-RP。为了接触的收敛性，初始状态轮辋和轮胎接触部分不能直接接触，因此轮辋的中心的向下移动12mm。然后建立两个分析步，第一个分析步对应的是轮辋和轮胎的接触，即轮辋向上移动12mm；为了模拟充气过程，第二个分析步为轮胎内测加上0.24MPa的压力。同时建立对称约束，并定义轮辋和轮胎之间的接触关系。在ABAQUS软件中对轮胎截面进行网格划分，一维单元采用MGAX1单元类型，二维单元选取CGAX4或CGAX3单元类型，采用单元尺寸4mm至8mm进行网格划分，网格划分形式如图2所示。然后选取轮胎外轮廓点作为输出点，即为后续模态轮胎外轮廓显示点，命名为configure_node。网格画好之后通过创建JOB从而输出对应的inp文件。再通过ABAQUS软件对轮胎截面有限元模型进行计算，得到截面模型的分析结果文件。
第三步：将全模型生成器执行文件INPcreater.exe拷贝到轮胎截面模型计算结果所在的文件夹内，点击此执行文件后出现一个对话框，通过对话空选择轮胎截面模型创建过程中生成的inp文件，则自动生成两个新的inp文件，分别为half_tire.inp和full_tire.inp。然后对full_tire.inp文件进行编辑，将其*MASS,ELSET＝RIMMASS后面的参数定义为轮胎轮毂质量0.01074634，将*ROTARYINERTIA,ELSET＝RIMROTI后面的参数定义为轮毂的转动惯量2.439663E+02、3.637302E+02、2.444952E+02，将*CLOAD,OP＝NEWRIM-1_Rim-RP,3,-3300.00最后面的参数定义为轴荷。再打开ABAQUS的command窗口，分别输入如下命令语句进行计算：
abaqusoldjob＝axi_tirejob＝half_tireint；
abaqusoldjob＝half_tirejob＝full_tireint；
其中axi_tire为创建的轮胎截面模型inp文件名称，其名称可根据需求自行定义。通过上述命令语句得到轮胎全模型的计算结果，该过程生成的轮胎整体三维有限元模型3，后续轮胎缩减工作也是基于图3所示的轮胎有限元模型而开展的。
第四步：将模态轮胎缩减程序MTcreater.exe放在上述计算结果所在文件夹下，点击运行，依次弹出两个窗口，分别通过其窗口先后选择full_tire.dat和axi_tire.inp文件，程序自动运行生成模态轮胎文件modal_tire.bdf，该文件可直接导入至hypermesh前处理软件中。缩减后的模态轮胎在前处理软件中的显示形式如图4所示，此模态轮胎外轮廓形状由PLOT单元4来表征。而轮心处为零长度质量与弹簧单元重合点5，此重合点通过MPC单元6与外轮廓PLOT单元4的节点相连接。图4中所示的模态轮胎可以与整车NVH模型进行装配，从而开展整车振动噪声仿真计算。
以上内容是结合具体的建模案例对本发明所作的详细描述，是为了便于相关技术人员理解和应用本建模方法，不能认定为本发明的具体实施情况仅局限于这些描述。任何熟悉本领域的技术人员在发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种用于整车振动噪声仿真的模态轮胎建模方法，其特征在于，在设定的载荷、胎压条件下，通过轮胎实际结构尺寸、材料属性得到精确的轮胎有限元模型，再通过缩减将轮胎有限元模型转化为用于整车线性分析的轮胎缩减模型，该轮胎缩减模型与整车NVH有限元模型相匹配，从而实现在NASTRAN软件中开展轮胎模型和振动噪声性能仿真,为道路振动噪声性能仿真提供了一种新的方法，至少包括以下步骤：
S1、在设定载荷、胎压条件下，依据轮胎的设计几何参数、材料特性，利用有限元软件ABAQUS对仿真轮胎建模，生成平面内的轮胎截面几何模型；
S2、通过有限元软件ABAQUS设定轮胎接地、胎压、与轮毂装配的状态，结合S1步骤中生成的轮胎截面几何模型，仿真设定状态下轮胎的力学特性，得出在整车装配工况下仿真力学特性的轮胎截面有限元模型；
S3、通过S2步骤中生成的轮胎截面有限元模型，由MATLAB程序生成轮胎整体有限元模型，并在ABAQUS软件中得到轮胎模态特性的仿真结果；
S4、建立缩减程序，通过缩减程序对S3步骤中生成的轮胎整体有限元模型及仿真结果进行模型缩减，得到缩减后的模态轮胎模型。
2.根据权利要求1所述一种用于整车振动噪声仿真的模态轮胎建模方法，其特征在于：S1步骤中的设计几何参数包括轮胎内部可预测轮胎力学特性的所有组成结构的几何信息，该组成结构包括有钢丝圈、钢丝带束层、三角胶、帘布层、胎侧结构及胎面；S1步骤中的材料特性包括对应所述所有组成结构的材料属性。
3.根据权利要求1所述一种用于整车振动噪声仿真的模态轮胎建模方法，其特征在于：S3步骤中，MATLAB程序创建“INPcreater.exe”，结合S2步骤中的轮胎截面有限元模型，得出轮胎整体有限元模型文件。
4.根据权利要求1或3所述一种用于整车振动噪声仿真的模态轮胎建模方法，其特征在于：S4步骤中，缩减程序创建“MTcreater.exe”，将S3步骤中生成的轮胎整体有限元模型缩减成力学特性等效的模态轮胎模型。
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