Abaqus-Explicit 在佳通轮胎动态 FEA 仿真中的应用

来源: | 作者:thinks | 发布时间: 2024-12-06 | 523 次浏览 | 分享到:

作为车辆与路面接触的唯一部件，轮胎的许多重要性能都体现在动态的使用条件下，如操控性能，磨耗性能，耐冲击性能，排水性能，等等。目前应用 Abaqus/Standard 进行轮胎的静态仿真以及稳态输运仿真，已经成为轮胎业内常用的手段，如进行轮胎的充气轮廓，静态刚度，侧偏刚度计算等[1-2]。但轮胎产品的开发和性能改进，还需要轮胎动态仿真技术的支持和指导，我们应用显式有限元求解器 Abaqus/Explicit，克服了显式计算方法计算时间较长，结果存在振荡等问题，开发了一整套轮胎动态 FEA 仿真技术，包括轮胎动态加载，瞬态滚动，侧偏仿真，驱/制动仿真，摩擦能仿真等。

轮胎动态 FEA 仿真中的挑战

目前轮胎行业内常用的动态仿真方法为，使用 Abaqus/Standard 求解器中的*Steady State Transport 功能，实现稳态的动态仿真。但是使用 Abaqus/Standard 进行轮胎动态 FEA 仿真存在如下挑战：

较强的非线性效应导致隐式方法收敛困难

Abaqus/Standard 为隐式有限元求解器，求解非线性问题使用迭代的方法，而轮胎的动态仿真中一般存在较强的非线性效应，包括：

材料非线性，轮胎的胶料不仅具有超弹性，而且具有粘弹性，当轮胎承受静态的载荷时，其粘弹性效应可以忽略不计，而当轮胎处于动态的加载条件时，胶料会表现出粘弹性的行为，材料非线性可能会导致计算收敛的困难。

几何非线性，轮胎的分析全部为几何大变形分析，而在一些极端的动态工况下，如大角度的侧偏工况，大滑移率的驱/制动工况，冲击碰撞工况等，轮胎有限元模型可能会发生网格的较大变形，乃至畸变，这可能会导致计算收敛的困难。

边界条件非线性，当考虑轮胎的胎面花纹时，轮胎滚动过程中胎面花纹与路面(或介质，如水)发生接触，且胎面花纹中通常存在较细的沟槽，这些沟槽的内壁也有可能发生自接触，当胎面花纹较为复杂时，模型中接触面的数量也会增加，随着加载状态的改变，接触状态也会发生复杂的改变，这也可能导致计算收敛的困难。

计算收敛的困难表现为两个方面，一是计算因不收敛而中止，无法得到所需工况下的计算结果；二是计算中迭代次数过多，导致计算时间过长，而且总迭代次数可能随模型的不同而发生改变，导致总计算时间不可预计。

较大的模型规模导致隐式迭代方法的效率受到限制

当前使用的轮胎有限元模型规模较大，尤其是当轮胎模型中包含复杂胎面花纹时，可达数十万至上百万的单元规模，每次对模型的迭代求解都会花费较长的时间。

综上所述，使用隐式有限元求解器 Abaqus/Standard，进行轮胎动态有限元仿真时受到较大的限制。Abaqus/Explicit 是一款功能强大完备的显式有限元求解器，最终我们选择Abaqus/Explicit 进行轮胎动态有限元仿真。

显式有限元求解器 Abaqus/Explicit 进行轮胎动态 FEA 仿真存在的挑战

显式有限元求解器 Abaqus/Explicit 进行轮胎动态 FEA 仿真也存在一些挑战[3]，由于显式方法存在稳定时间增量的限制，一般其稳定时间增量非常小，可能需要几十万甚至上百万个增量，才能模拟所需要的工况历程，因此计算时间较长；另外使用显式方法时，可能发生结果中存在振荡现象的问题。经过我们努力克服这两个问题，可以使用 Abaqus/Explicit，在可接受的计算时间内，得到稳定准确的计算结果。

应用 Abaqus/Explicit 的动态 FEA 仿真技术介绍

我们应用 Abaqus/Explicit，开发了一整套轮胎显式动态 FEA 仿真技术，包括轮胎动态加载，瞬态滚动，侧偏仿真，驱/制动仿真，摩擦能仿真等。

轮胎建模流程

在轮胎显式动态 FEA 仿真技术中，对轮胎进行了专门的模型简化和建模。

在我们的建模流程中，将轮胎的有限元网格模型分为两个部分：轮胎主体部分和胎面花纹部分。对于轮胎主体部分，首先根据轮胎的材料分布图，使用内部建模工具生成轮胎主体部分 2D 模型，再利用轮胎的轴对称性质，得到轮胎主体部分 3D 模型；对于轮胎的花纹部分，首先根据花纹设计图，使用内部建模工具生成单节距胎面花纹模型，再利用胎面花纹的周期对称性质，得到胎面花纹的 3D 模型。最后将轮胎的主体部分和花纹部分绑定组合，得到轮胎的整体有限元网格模型，如图 1 所示。