模擬滾動輪胎的方法
2023-06-26 12:58:11
專利名稱：：模擬滾動輪胎的方法
技術領域：
：本發明涉及一種滾動輪胎模擬的方法，該方法能模擬以某一速度滾動的輪胎的狀態並且能在較短的時間內以較高的精度對該狀態進行計算。
背景技術：
：近年來，人們將計算機模擬用於輪胎的研究。眾所周知，日本未審査的公開申請Nos.2003-127622、2004-20229、2004-322971、以及2002-67636公開了用計算機模擬以某一速度滾動的輪胎的各種方法。計算機模擬能在某種程度上預測性能，而無需在實驗上製造輪胎。作為已知的計算機模擬，例如滾動模擬，其中輪胎模型被製造以便在道路模型上滾動。各個模型由有限元構成。有限元中的大部分單元是具有與構成輪胎的橡膠、簾線等相似的彈性元。為輪胎模型設定各個邊界條件比如輪輞、內部壓力、和負荷，並使輪胎模型與道路模型接觸；然後進行將輪胎模型加速到某一速度的加速步驟。至於加速步驟，例如，考慮到實際使用條件，即使以相當高的加速度1Q(約等於9.8m/s2)加速輪胎模型時，將其加速到50km/h也需要約1.4秒。然後，在達到預定的某一速度時，由滾動輪胎模型計算所需的物理參數。在模擬以恆定速度滾動的輪胎的特性的情況中，上述加速是浪費時間的。為縮短模擬時間，以較大的加速度加速輪胎模型並且以較短的時間將其加速到預定速度是有效的。然而，當加速度太大時，輪胎模型的彈性元的變形量變得特別大，於是這些單元受到破壞並且會存在計算誤差。有限元法(FEM)經常用於上述模擬。在有限元法中，通過將時間分割為較短的時間步驟來進行計算。在一個時間步驟的終了處的各個單元的狀態被用作下一個時間步驟的初始值，並且按時間順序進行計算。在每一時間步驟處，觀察到一些誤差，這是因為計算結果被四捨五入成預定位數。通常，就時間步驟的數量來說，要充分地確保位數以使計算結果不受誤差的影響。然而，加速時間的增加必然導致時間步驟的數量的增加，從而可能使誤差累積並降低計算精度，即發生所謂的下溢。
發明內容為解決上述問題完成了本發明。因此，本發明的主要目的在於提供一種模擬滾動輪胎的方法，該方法能縮短計算時間、同時保持較高的計算精度。根據本發明的模擬滾動輪胎的方法包括如下歩驟通過使用具有至少一個彈性元的有限元來模擬柔韌輪胎模型用於數值計算；將柔韌輪胎模型中的至少一個彈性元變成剛性元從而製造出剛性輪胎模型；加速剛性輪胎模型；當剛性輪胎模型的速度達到某一速度時，將剛性輪胎模型中的每一單元的彈性恢復成初始彈性；以及獲得至少一個與柔韌輪胎模型相關的物理參數。圖1為用於實施本發明的優選實施方式中的模擬方法的計算機裝置的透視圖；圖2為顯示用於本發明的優選實施方式的模擬方法的處理歩驟的例子的流程圖；圖3為顯示輪胎模型的一個例子的透視圖4為沿著包括輪胎軸向的輪胎子午線部分的輪胎模型的橫截面圖；圖5為道路模型的透視圖6為顯示與道路模型接觸的柔韌輪胎模型的滾動模擬的一個例子的透視圖7為顯示柔韌輪胎模型的滾動模擬的側視圖8為顯示剛性輪胎模型的滾動狀態的側視圖9為顯示輪胎模型的滾動速度與時間之間的關係的示意圖。具體實施例方式下面將結合附圖對根據本發明的優舉實施方案進行說明。圖1顯示了用於實施根據本實施方式的模擬方法的計算機裝置1。計算機裝置1包括機箱la、用作輸入裝置的鍵盤lb和滑鼠lc、以及用作輸出裝置的顯示器ld。雖然圖中未顯示，但機箱la恰當地裝有中央處理器(縮寫為"CPU")、ROM、暫存器、大容量存儲器比如磁碟、以及用於光碟或軟磁碟的磁碟驅動器lal和la2。大容量存儲器在其內存儲用於實施如下所述的方法的處理步驟(即程序)。圖2顯示了本發明的優選實施方式中的處理步驟的一個例子。在本發明的優選實施方式中，首先模擬柔韌輪胎模型2(步驟S1)。圖3顯示了三維可視化的柔韌輪胎模型2的一個例子。在柔韌輪胎模型2中，通過將作為分析對象的輪胎替換為有限元(e)來進行說明。通過將待分析的用於客車的子午線輪胎(不管是否實際存在)分成有限元(e)來模擬柔韌輪胎模型2。將每一單元(e)定義為可數值分析的。"可數值分析的"是指可通過至少一種數值分析方法進行修正計算。例如，數值分析方^包括有限元法、有限體積法、有限差分計算法(calculusoffinitedifferences)、以及邊界元法(boundaryelementmethod)。具體地說，例如，確定每一單元(e)在X-Y-Z坐標系中的點的坐標值、單元的形狀、以及材料的性能(例如，密度、彈性模量、損耗角正切和阻尼係數)等。於是，通過可用計算機裝置I計算的數值數據來表示柔韌輪胎模型2的實體(substance)。圖4顯示沿著包括輪胎軸(圖中未顯示)向的輪胎子午線部分的輪胎模型的橫截面圖。就模型化的橡膠來說，本實施方式中的柔韌輪胎模型2包括由第一單元(el)構成的胎面橡膠模型部分E1，其中第一單元(el)具有對應於胎面橡膠的預定彈性模量；由第二單元(e2)構成的側面橡膠模型部分E2，其中第二單元(e2)具有對應於胎側壁橡膠的預定彈性模量；由第三單元(e3)構成的三角膠模型部分E3，其中第三單元(e3)具有對應於胎圈三角膠的預定彈性模量；以及由第四單元(e4)構成的內襯層模型部分E4，其中第四單元(e4)具有對應於內襯層的預定彈性模量。單元(el)(e4)作為其中應變隨應力成比例產生的彈性體。彈性體具有受力變形並在卸載後再次恢復原狀的特性，在概念上包括超彈性體。就模型化的纖維簾線來說，柔韌輪胎模型2還包括由第五單元(e5)構成的胎體模型部分E5，其中第五單元(e5)具有對應於胎體簾線的預定彈性模量，並且其彈性模量沿胎體簾線的延長方向是正交各向異性的；以及由第六單元(e6)構成的帶束模型部分E6，其中第六單元(e6)具有對應於帶束簾線的預定彈性模量，並且其彈性模量沿帶束簾線的延長方向是正交各向異性的。單元(e5)和(e6)作為其中應變隨應力成比例產生的彈性體。此外，柔韌輪胎模型2包括由第7單元(e7)構成的胎圈芯模型部分E7，其中第7單元(e7)具有對應於胎圈芯的預定彈性模量。將第7單元(e7)作為不因外力而變形的剛性體。至於單元(el)(e4)和(e7),例如，優選使用四面體的或六面體的三維立體單元。至於單元(e5)和(e6)，除那些三維立體單元外，還優選使用平面殼體單元。在本實施方式中，柔韌輪胎模型2在其胎面膠模型部分E1中未設置凹槽，但本發明並不限於此。接著，在本優選實施方式中，模擬道路模型3(步驟S2)。圖5顯示了道路模型3的一個例子。在本發明的實施方式中，通過一個以上包含單個平面的剛性表面單元(e8)來模擬道路模型3。由於道路模型3由剛性表面形成，故即使對道路模型3施加外力，道路模型3也不會發生變形。此外，可以視需要在道路模型3上設置不平坦處(例如，不規則的臺階、凹槽、起伏、車轍等)。此外，道路模型3可以形成為類似於轉鼓測試機的圓柱狀表面。隨後，分別為本發明的優選實施方式中的柔韌輪胎模型2和道路模型3設定各種邊界條件。邊界條件包括其上安裝柔韌輪胎模型2的輪輞、輪胎的內部壓力、垂直負荷、某一滾動速度、打滑角和外傾角、以及柔韌輪胎模型2和道路模型3之間的摩擦係數。摩擦係數值取決於路面狀況。然後，計算如圖6所示與道路模型3接觸並沿Z軸方向受負荷(垂直負荷)的柔韌輪胎模型2的形狀的變形模擬被進行(步驟S4)。在上述變形模擬中，根據步驟S3中設定的條件用有限元法對安裝在輪輞上、在某一內部壓力下充氣、載有某一垂直負荷並垂直地壓在路面上的輪胎進行計算。例如，可以通過使柔韌輪胎模型2的胎圈芯模型E7間隔地變形為符合輪輞寬度的寬度尺寸來計算安裝在輪輞上的柔韌輪胎模型2的狀態。還可以通過施加某一均勻分布的載荷使柔韌輪胎模型2的內腔面變形來計算柔韌輪胎模型2的充氣狀態。可以通過在柔韌輪胎模型2的轉動軸上施加垂直負荷來計算柔韌輪胎模型2的變形狀態。至於用以提供有限元模型中的邊界條件並計算各個物理參數比如整體系統力和移位等的步驟和方法，可以根據眾所周知的例子進行有限元計算。在本發明的實施方式中，上述計算機裝置1用一般的分析程序(例如，一般的顯解法(explicitmethod)軟體"LS-Dnya")計算。圖7是用以說明通過變形模擬而獲得的柔韌輪胎模型2的側視圖，在該變形模擬中，柔韌輪胎模型2與本發明的實施方式中的道路模型3靜態地接觸。由圖7顯而易見，在柔韌輪胎模型2的胎面膠模型部分El中，與剛性的道路模型3接觸的接地面積(A)扁平地變形。將柔靭輪胎模型2中的每一單元的變形信息存儲在上述計算機裝置1中(步驟S5)。也就是說，由於單元(el)(e6)發生彈性變形，故將每次變形的信息比如應力、應變和能量等存儲在計算機裝置1的存儲器中。該變形信息可以視需要包括各種參數。在步驟S6中，將柔韌輪胎模型2剛性化。在本實施方式中，將所有的彈性元(el)(e6)剛性化，從而使柔韌輪胎模型2變成剛性輪胎模型5。例如，可以通過將各個單元中確定的彈性模量的值變為無限大來剛性化單元。剛性輪胎模型5保持如圖7所示的形狀，也就是說，保持包括扁平變形的接地面積(A)的胎面膠模型部分E1的形狀。將剛性輪胎模型5加速到某一速度(步驟S7)。在本實施方式中，圖7和8顯示，剛性輪胎模型5可繞輪胎軸CL旋轉，並且僅在Z軸方向上是可移動的，以及道路模型3被設定為沿某一速度移動。於是，通過因剛性輪胎模型5與道路模型3接觸產生的摩擦力來加速剛性輪胎模型5。用於施加加速度的實施方式不限於該方式。剛性輪胎模型5不因任何外力而變形，其在旋轉的同時保持在上述變形模擬中獲得的變形狀態。因此，可以在較短的時間內將剛性輪胎模型5加速到預定的某一速度，而既不破壞單元(el)(e6)也不發生誤算，即使當剛性輪胎模型5以不切實際的極大的加速度(例如，不低於100G)加速時也是如此。此外，不需要對加速中的剛性輪胎模型5進行變形計算，從而可減少計算負擔。在本實施方式中，加速剛性輪胎模型5的時間沒有限制。然而，由於剛性輪胎模型5包括扁平變形的接地面積(A)，故外徑是不恆定的。因此，當加速輪胎的時間較長時，在剛性輪胎模型5中，沿Z軸方向可能發生較大的振動。為抑制該振動，優選減少加速中的剛性輪胎模型5的移動距離。特別地，將剛性輪胎模型5設置成具有不超過在加速前狀7兄下剛性輪胎模型5的外周接觸長度L的一半的移動距離長度("L/2"是指在接地面積中的位置P1與P2之間的長度)。加速度與時間之間的關係如下式(1)所示W."/2(1),其中，"a"是用於剛性輪胎模型5的加速度(m/s2)，"T"是加速剛性輪胎模型5的7時間(秒)，並且"L"是處於加速前的狀態下的剛性輪胎模型5與道路模型3的外周接觸長度(米)。通過計算上述公式(1)，用於加速剛性輪胎模型5的時間優選如下式(2)所示一/")05(2)。為將剛性輪胎模型5設置成具有不超過外周接觸長度L的三分之一的移動距離，特別地優選如下式(3)所示r"2V3af5(3)。剛性輪胎模型5不因加速度而變形。於是，在式(2)和(3)中，先確定加速時間，之後再確定加速度(a)。例如，當將長度L設定為150mm時，預定速度為50km/h，剛性輪胎模型5的移動距離設定為不超過長度L的三分之一，並且用於加速剛性輪胎模型5的時間T設定為非常短的時間，例如7毫秒。根據式(3)，加速度如下所示fl^(2l/3r2)。於是，在該情況中的加速度(a)設定為約2040.8m/s2。同時，在剛性輪胎模型5的速度根據步驟S7達到預定速度之後，加速度恢復為零，於是剛性輪胎模型5將以恆定速度旋轉。然後，將剛性輪胎模型5中的每一單元的彈性恢復成初始彈性(步驟S8)。將在步驟S5中儲存的變形信息返回給柔韌輪胎模型2中的各個單元(el)(e6)(步驟S9);也就是說，單元(el)(e6)的彈性模量恢復到初始確定的對應於各個橡膠或纖維簾線材料的彈性模量，並且單元(el)(e6)重新具有與剛性化前相同的應力、應變和能量。因此，柔韌輪胎模型2能以目標速度旋轉，並且可變成通過運動方程式和力的平衡而形成的形狀。在步驟S10中，由柔韌輪胎模型2獲得所需的物理參數。例如，作為物理值，有周向力、橫向力、垂直力、和/或側偏動力；這些值可按時間順序輸出。於是，可以預測以某一速度在路面上滾動的目標輪胎的性能。可以將本實施方式變為其他的實施方式。例如，可以通過與道路模型3接觸、並在加速步驟S6S8之後荷載來使柔韌輪胎模型2變形。在接觸時刻，優選柔韌輪胎模型2的速度與道路模型3的速度相同。在上述的本實施方式中，所有的彈性元(el)(e6)被剛性化，但可以僅剛性化主要單元。例如，當僅剛性化對應於可變形的橡膠的單元時，該實施方式將是完全有效。對比測試製造用於測試的235/45R17充氣輪胎，並且在測試輪胎滾動期間的側偏動力用本實施方式的下述模擬方法來計算。表1和圖9顯示了測試結果。滾動測試在如下條件下進行滾動速度20km/h或50km/h;內部壓力200kPa;打滑角r，以及負荷4.5kN在對照例1和2的加速步驟中，具有可顯示的彈性形變的輪胎模型以1G的加速度加速。在實施例1和2中，根據如圖2所示的步驟進行模擬；並且其加速度分別為113G和283G。表1tableseeoriginaldocumentpage9如表1所示，實施例將計算時間縮短了約62%。此外，就計算精度來說，實施例與對照例之間的差值為約4%;因此，本實施方式中充分地保持了精度。權利要求1.一種通過使用計算機裝置來模擬輪胎以某一速度在路面上滾動的方法，所述方法包括如下步驟通過使用具有至少一個彈性元的有限元來模擬柔韌輪胎模型，以用於數值計算；將所述柔韌輪胎模型中的至少一個彈性元變成剛性元從而製造出剛性輪胎模型；加速所述剛性輪胎模型；以及當所述剛性輪胎模型的速度達到所述某一速度時，將所述剛性輪胎模型中的每一單元的彈性恢復成初始彈性；以及獲得至少一個與所述柔韌輪胎模型相關的物理參數。2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括在加速步驟之前計算所述柔韌輪胎模型在負載狀態下與道路模型靜態接觸的變形形狀的步驟，並且所述剛性輪胎模型基於具有變形形狀的柔韌輪胎模型而製得。3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，用於加速所述剛性輪胎模型的時間如下式所示其中，"T"是加速剛性輪胎模型的時間，單位為秒，"L"是剛性輪胎模型與道路模型的外周接觸長度，單位為米，以及"a"是加速度，單位m/s2。4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括在加速步驟後計算與道路模型接觸並具有某一負載的所述柔韌輪胎模型的變形形狀的步驟。全文摘要一種通過使用計算機裝置(1)來模擬輪胎以某一速度在路面上滾動的方法，包括如下步驟通過使用具有至少一個彈性元的有限元來模擬柔韌輪胎模型(2)用於數值計算(步驟S1)；將柔韌輪胎模型(2)中的至少一個彈性元變成剛性元從而製造出剛性輪胎模型(5)(步驟S6)；加速該剛性輪胎模型(5)(步驟S7)；當剛性輪胎模型(5)的速度達到某一速度時，將剛性輪胎模型(5)中的每一單元的彈性恢復成初始彈性(步驟S8)；以及獲得至少一個與柔韌輪胎模型(2)相關的物理參數(步驟S10)。文檔編號G01M17/02GK101639409SQ20091014625公開日2010年2月3日申請日期2009年6月19日優先權日2008年7月29日發明者植田憲二,白石正貴申請人:住友橡膠工業株式會社