Моделирование процесса качения шины по дорожному полотну

В качестве примера, на рис. 3 показаны последовательные положения частей рассматриваемой системы в различные моменты времени, на рис. 4. - графики зависимостей проекций равнодействующей силы на ось колеса от времени при различных условиях движения шины по мокрому полотну.В работе дается описание конечно-элементной модели и приводятся результаты математического моделирования процесса качения шины по дорожному полотну, полученные с использованием программы LS-DYNA.

Целью работы является повышение конкурентоспособности и технического уровня шин, сокращение сроков их разработки и испытаний, повышение обоснованности проектов, снижение затрат на разработку и испытания.
Для достижения цели в последовательность разработки шины введен инженерный анализ.

Инженерный анализ включает нелинейных статический анализ, целью которого является оценка напряженно-деформированного состояния нагруженной шины и определение коэффициентов ее жесткости, и моделирование про-цесса качения шины по дорожному полотну (динамический анализ).

В данной работе рассматривается только моделирование процесса качения.

Целью моделирования является исследование закономерностей процесса качения шин и на этой основе поиск путей управления этим процессом, улучшение существующих конструкций шин и дисков, а также систем автомобиля, которые предназначены для улучшения его устойчивости при движении.

Рис. 1. Геометрические модели процесса:
слева - оболочечная; справа - комбинированная

Простейшие геометрические модели рассмат-риваемого процесса показаны на рис. 1.

В геометрической модели, которая показана на рис. 1,а, шина и дорожное полотно представлены оболочками, а в геометрической модели, которая показана на рис. 1,б, объемными телами.

Геометрическая модель, которая показана на рис. 1,а, используется только для отладки модели. В обеих моделях диск представлен оболочкой.

Параметры геометрических моделей: длина до-рожного полотна - 2.5 м; ширина дорожного полотна - 0.32 м; толщина дорожного полотна - 0.0133 м; длина лужи - 2.0 м; ширина лужи - 0.32 м; толщина лужи 0.0125 м; расстояние от оси колеса до начала лужи - 0.25 м

Размеры рассматриваемой воздушной области были идентичны водной области. Геометрические размеры шины, в основном, соответствовали модели шины 295/80 R22.5.

Задавались следующие начальные условия: начальная скорость оси колеса v0, начальная угловая скорость колеса w0=v0/r2 , где - r2 наружный радиус шины. Все остальные части рассматриваемой в начальный момент времени системы считались неподвижными.

Задавались следующие граничные условия: скорость продольного движения оси колеса v как функция времени; вертикальное перемещение оси колеса u как функция времени. Начальное перемещение оси колеса считалось равным нулю. Дорожное полотно считалось неподвижным.

Рис. 2. Конечно-элементные модели процесса:
слева - оболочечная; справа - комбинированная

Задавались следующие нагрузки: внут-реннее давление в шине p как функция времени, момент торможения m как функция времени.

Давление прикладывалось к внутрен-ней поверхности шины.

Момент торможения прикладывался к оси колеса.

Продолжительность процесса счита-лось равным времени прохождения осью колеса рассматриваемого участка дорож-ного полотна.

Рассматривалось несколько вариантов выбора моделей материалов для шины, диска, оси, дорожного полотна, воды и воздуха.

Используемые на первом этапе конечно-элементные модели показаны на рис. 2. Модели соответствуют геометрическим моделям, которые представлены на рис. 1, и полностью параметризованы.

Анализировалось влияние следующих параметров на качественные и количественные особенности полученных решений, а также на шаг интегрирования и время решения:

- тип, формулировка и опции используемых конечных элементов;

- тип, формулировка и опции контактных пар;

- тип и опции решателя.

По результатам решения тестовых задач были определены рациональные параметры решателя.

а
б
Рис. 3. Последовательное положение частей системы: а – движения колеса (вид сбоку); б – движения колеса (вид сзади, лужа не показана);в – движение воды

а	б
Рис. 4. График зависимости проекций равнодействующей от времени: а - при v = 30...60 км/ч, u = 25 мм; б - при v = 60...120 км/ч, u = 5 мм