轮胎模型逼真度对偏置碰撞仿真的影响分析

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文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.01.006

Analysis on the Influence of Tire Model Precision to the Offset Impact Simulation

Cao Libo1, Zhang Tengteng1, Shao Feida1, Li Bihao2

(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)

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 major characteristic parameters, tire pressure, rotational degrees of freedom, and rim stiffness were varied to analyze their influence on 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 adjusting three characteristic parameters.

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。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。

轮胎是车辆的重要组成部件，也是车辆与地面接触的唯一部件。由于轮胎的材料和结构在整车性能仿真中的特殊性，再加上胎内空腔气体的气压作用，轮胎的模拟精度对整车性能的仿真结果有着一定的影响[1]。Wu S R和Lee C R等分别对轮胎的仿真模型进行了研究，根据轮胎的刚度实验结果，调整轮胎模型的相关参数，得到与实验结果拟合度较高的单个轮胎模型[2-3]。然而，对于轮胎在正面偏置碰撞仿真中的影响还较少有人研究。

在正面40%的偏置碰撞中，车身一侧承受来自整车的碰撞力，轮胎与车身A柱下端的接触使碰撞力的传递路径发生变化，轮胎成为碰撞力传递的一条重要路径。因此，轮胎模拟精度与整车仿真结果存在较大相关性。本文以某国产车的轮胎为研究对象，分析其特性参数在正面40%偏置碰撞仿真中的影响，为提高整车仿真精度提供依据。

1 轮胎模型的建立

在整车有限元仿真中，轮胎的几何模型是根据实际轮胎的结构简化而得到的。就轮胎本身的结构特点而言，可将轮胎分为胎面（其中又分为内外胎面和侧胎面）、轮毂、轮辋等部分，轮胎直接和地面接触部分有外胎面和侧胎面。由于外胎面和侧胎面的胎体和帘线具备各向异性[3]，因此，在整车碰撞有限元仿真中，将外胎面、侧胎面看作不同的部件进行模拟，通常均用壳单元进行模拟。由胎面和轮毂所组成的胎内空腔结构，装满了一定压力的气体。为了能够准确地模拟轮胎内的充气压力，采用WANG_NEFSKE等人研究的气囊均匀压力模型，运用体积控制算法计算理想气体的压力。通过改变*AIRBAG_SIMPLE_PRESSUR_VOLUME中的CN参数调整轮胎内的气压值，根据实验值来设置轮胎压力[4]。轮胎与轮轴通过圆柱铰模拟，并施加轮胎绕轮轴的旋转角速度，精确的轮胎有限元模型如图1所示。

轮胎的特性参数及其对正面偏置碰撞仿 真的影响

轮胎是由高弹性模量的柔性纤维、钢丝帘线和低弹性模量橡胶组成的复合材料结构。这种各向异性的结构本身不具备较大的承载能力，但是当充入额定压力的气体时却能承受较大的载荷，同时又具有较强的碰撞力学特性[5]。在汽车40%偏置正面碰撞的有限元仿真中，轮胎是碰撞能量消耗的重要部件，同时也是碰撞力传递的一条重要路径，合理的轮胎结构设计可及时有效地将前机舱未消耗的碰撞能量传递到门槛上，让车身后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与滑行也将消耗一部分碰撞能量。

轮胎的气压、轮胎的旋转、轮辋的刚度等是轮胎的3个重要特性参数，在不同程度上对正面偏置碰撞结果有着一定的影响。

2.1轮胎的气压

本次研究的轮胎型号是215/50 R17。根据C-NCAP中规定，实验前各轮胎气压应调至车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中也对轮胎气压做了相关规定，仿真分析中将轮胎模型的气压值调整在160至280 kPa范围内。

通过给定多种轮胎气压值对整车偏置碰撞进行有限元仿真，得到不同的轮胎变形情况。其中，轮胎胎压为180 kPa和240 kPa时的轮胎变形情况如图2(a)、(b)所示。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，轮胎的变形较符合真实情况下的变形，但轮胎的气压达到一定大小后，轮胎变形没有明显的变化。

2.2轮胎的转动

在实车碰撞实验中，轮胎是可转动的。而在以前的整车有限元仿真模型中，轮胎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不同，进而影响碰撞能量的消耗情况。

为了与实验中的状态尽量接近，本文在整车偏置碰撞仿真中通过定义关键字*INITIAL_VELOCITY_GENERATION来模拟轮胎绕轮轴旋转。同时，赋予车轮与地面的摩擦系数来模拟真实实验中的车轮与地面的摩擦。

在40%正面偏置碰撞仿真中，轮胎的转动使模型中总能量增加约47.8 kJ，这些能量最终将转化为壁障的变形能和摩擦能。同时，在碰撞的过程中，轮胎的转动将对壁障产生负Z向的切向力，加大了壁障在Z向的变形。图3(a)所示为有没有轮胎旋转所产生的壁障变形情况的对比，轮胎的旋转使壁障的Z向变形较大。可变形壁障变形后，其前端下表面距地面的高度对比见表1。

2.3轮辋的刚度

轮辋是支撑整个轮胎的重要组成部件。在正面40%重叠可变形壁障碰撞过程中，仅有车身单侧结构来承受碰撞过程中的绝大部分的碰撞力，轮辋是碰撞力向门槛传递的一条重要的路径，轮辋刚度的大小直接影响着整个轮胎的变形情况及对碰撞力的传递。

轮辋的合理变形，不仅能够吸收一定的碰撞能量，而且能够合理地将碰撞力传递到门槛梁上。轮辋材料弹性模量分别取70 GPa和200 GPa的仿真与实验的变形对比如图4所示。其中，当轮辋材料弹性模量取200 GPa时的轮辋变形比较合理，与实验中的变形比较相似。

调整轮胎特性参数并进行组合，具体的参数调整如下：参数调整前轮胎的气压为180 kPa，轮胎没有设置转动，轮辋材料弹性模量为70 GPa；参数调整后轮胎的气压为240 kPa、轮胎设置绕轮轴转动、轮辋材料弹性模量为200 GPa。通过计算机仿真分析，分别对参数调整后的整车加速度、门槛处的受力情况以及防火墙的侵入量与参数调整前的结果进行比较，并将仿真结果与实验结果对比分析。

从B柱下方的整车碰撞加速度曲线考察，参数调整前后的仿真结果对比如图5所示。轮胎模型调整前，整车最大加速度峰值为40.1 g；轮胎模型调整后，整车最大加速度峰值为36.8 g。而实验中的最大加速度峰值为35.2 g，并且最大加速度峰值出现的时刻与实验值更加接近。同时，在80 ms时门槛处的截面力的波动明显减小，门槛传递的最大力有所增加，有助于碰撞力的合理传递。

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所示为参数调整前后乘员舱内关键部件的侵入量的对比。由表2可知，模型调整后的各侵入量值与实验值更加接近。

分析调整轮胎参数前后的结果对比可知，当轮胎的胎压为180 kPa，轮胎设置不旋转，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，同时门槛处碰撞力传递不均匀，波动变化较大，不利于碰撞能量的传递。当轮胎的胎压为240 kPa，增加轮辋的刚度，同时赋予与实验中相同的旋转速度时，轮胎的变形较合理，在不引起门槛变形的情况下传递到门槛上的截面力较大，使仿真中的模型更准确，与实验结果的吻合度更高。

4 结论

轮胎在整车正面偏置碰撞仿真中起到重要的传力作用。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，直接影响到整车加速度峰值、门槛传力大小以及防火墙的侵入量等。轮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，门槛处碰撞力峰值波动较大。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有重要意义。

参考文献(References):

庄继德.汽车轮胎学[M].北京：北京理工大学出版社，1996.

Zhuang Jide. Automotive Tire[M]. Beijing：Beijing Institute of Technology Press，1996. (in Chinese)

LEE C R, KIM J W，HALLQUIST J O，et al. Validation of a FEA tire model for vehicle dynamic analysis and full vehicle real time proving ground simulation[C]. SAE 971100.1977.

WU S R，GU L，CHEN H. Airbag tire modeling by the explicitly finite element method [J]. Tire Science and Technology，1997，25（4）：288-300.

LS-DYNA，KEYWORD USRER’S MANUAL Version 971.

PARHIZGAR S，WEISSMAN E M，CHEN C S. Determination of stiffness properties of single-ply cord-rubber composites[J]. Tire Science and Technology，1988，16(2)：118-126.