浅谈轮胎简化建模的几种方式
轮胎是车辆的重要组成部分。在整车100%刚性墙正面碰撞（FFB）、50%可移动渐进变形壁障偏置碰(MPDB)、40%偏置碰撞(ODB，如图1)、25%刚性小重叠偏置碰撞(SOB)等工况中,轮胎是碰撞时传递冲击力的一条关键路径,建立高精度的轮胎仿真模型,对改善整车碰撞仿真的精度具有重要意义。但是模型精度与计算时间通常是无法兼顾的，这就对轮胎模型的简化提出了要求，在保证模型精度的同时能够最大程度上减少计算时间。
图1 ODB碰撞中轮胎变形模式
轮胎结构
根据轮胎结构的不同，可以分为斜交轮胎和子午线轮胎两种。一般轿车使用的多为子午线轮胎，其结构示意图如图；胎体一般由一到两层纤维帘布层组成，胎冠部位由两层钢丝或者多层高模量纤维帘布层组成带束层，胎面一般是一层整体橡胶；冠带层一般采用一至两层尼龙帘布构成，帘线附在带束层上面。气密层一般是由两层气密性好的丁基胶或卤化类丁基胶组成。硬胶芯，也称三角胶，主要用于提高胎圈的刚性，同时使胎侧与胎圈平顺的连接。钢丝圈主要是维持胎圈形状，保持一定的刚性。
图2 子午线轮胎结构
轮胎的几种简化模型
图3 多层复合结构模型
图4 多层复合结构有限元截面
简化方法1：多层复合结构有限元模型，根据轮胎截面结构，各部件通过附胶连接，有限元模型中使用共节点方式连接。胎面钢丝帘线、胎侧纤维帘线使用梁单元模拟，其他结构均使用体单元模拟，如图3、4。该简化模型可详细表征轮胎内部各层的材料特性，但模型复杂程度较高，且所有材料参数的获取需要大量材料试验；
图5 简化方法2轮胎模型
简化方法2：胎面均质化模型，将胎面均质简化为一个部件，不考虑轮胎胎面钢丝帘线的结构，胎侧分为两个部分，胎体的纤维帘线沿轮胎截面建立，对体单元包壳（如图5），胎侧和胎面等材料参数可通过参数反求或经验获得。该方法的优点是，材料参数少，结构比较完整，有限元模型与实际轮胎轮廓一致性好；而缺点是胎面的简化对于径向变形的模拟精度不足。因此胎面均质化模型常用于侧向冲击仿真中。
图6 简化方法3轮胎模型
简化方法3：分别均质化胎侧和胎面为体网格单元，直接将体单元包壳，内部壳单元和轮辋形成封闭的腔体，如图6。这种方法仅需要获得轮胎的内外轮廓，胎侧和胎面的材料参数可通过反求或者经验值获取。不足之处在于难以模拟轮胎发生大变形时的真实机械性能，可用于整车正面碰撞仿真。
图7 简化方法4轮胎模型
简化模型4：如图所示，将胎侧均质化一层壳单元，胎面由两层体单元模型，如图7所示。这种简化方法的缺点是胎侧为均匀等厚结构，难以在侧向冲击的模拟上有较高精度，可应用于整车正面碰撞与偏置碰的模型中。
图8 简化方法5轮胎模型
简化模型5：如图所示，胎侧和胎面分别均质化为壳单元，胎侧、胎面和轮辋组成封闭的腔体，用来模拟气压（如图8）。这种简化方法只需要获得轮胎的大致轮廓，胎侧和胎面的材料参数可通过反求或经验获取，单元少，计算效率高，是实际工程应用中使用最为广泛的轮胎有限元模型。然而，这种简化方法在轮胎发生大变形时无法实现较高的仿真精度。一般该方法可用于整车100%正面碰撞模型中。
小结
轮胎建模方式在整车碰撞中有较大影响，可影响结构变形以及整车加速度波形，因此较为精确的简化建模方法是重要的。
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