一种适用于轮胎式载运工具动力学仿真的有限元轮胎模型

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公路车辆	单轨车辆	飞机起落架

UM FETire 模块提供了基于有限元方法建立柔性轮胎的工具，柔性轮胎模型可以直接用于公路车辆、单轨车辆以及飞机起落架系统。

建立详细的轮胎动力学模型需要轮胎各层的材料参数，使用柔性轮胎可以进行下列研究：

• 进行标准化的轮胎力学虚拟试验，为简化的无质量轮胎模型提供各向力学特性曲线 (Tabular model and TMEasy)；

• 进行特殊路面工况的非稳态分析，如：撞击路沿、撞击石块、通过减速带、通过破损道路等；

• 进行轮胎表面非均匀磨耗分析。

UM FETire 柔性轮胎的数学模型

柔性轮胎采用UM软件实验室提出的梯形多层壳单元建模，结合ANCF绝对节点坐标法和C-B模态综合技术来实现弹性大变形和大位移。相关理论请见作者文献 paper1, paper2。

轮胎和地面的接触作用通过刷子模型实现，无质量的刷毛能同时模拟法向力和切向力。不同形状的胎面花纹因此也易于处理。

提高计算效率的方法：模型缩减和并行计算

为了提高仿真效率，开发了两种自由度缩减模型：上部或侧面缩减为超单元。同时，应用多线程并行求解技术提高效率。

虚拟轮胎试验台

搭建了参数化的虚拟轮胎试验台，可自动进行一系列标准的轮胎力学试验模拟，获得相应的力学性能数据：

1. 计算轮胎在给定载荷下的平衡位置

2. 计算轮胎的纵向静刚度

3. 计算轮胎的侧向静刚度

4. 计算轮胎的垂向静刚度

5. 计算轮胎的回正静刚度

6. 轮胎自由滚动模拟

7. 计算轮胎纵向力随滑移率变化的非线性特性

8. 计算轮胎侧向力和回正力矩随侧偏角变化的非线性特性

纵向力-滑移率	侧向力-侧偏角	回正力矩-侧偏角

应用柔性轮胎于轮式车辆动力学仿真

在进行车辆动力学仿真时，用户可以自由地选择一个、多个或所有轮胎使用柔性轮胎模型，也可以指定柔性轮胎模型生效的区段，其余则用简化模型以加快仿真。

撞击路沿	通过减速带
行驶在破损路面	跨座式单轨车辆通过梁缝

胎面磨耗预测

应用Archard模型来预测胎面磨耗，即磨耗量正比于摩擦功。由于轮胎和地面的接触关系通过一组离散的刷毛模拟，因此可以方便地统计出轮胎断面上不同位置处的磨耗。