轮胎极限工况下力学特性预测的理论研究及试验验证

本课题探索和开拓性地研究轮胎在极限工况下的面内（垂直、纵滑）、面外（侧偏、外倾）以及面内和面外联合的高频动力学特性。随着各种先进的汽车底盘控制系统,包括动态稳定性控制系统（ESP）得到不断的开发和应用，以及汽车结构设计中对疲劳耐久载荷的预测，车辆动力学仿真与分析对轮胎模型提出了更高的要求，包括：定量准确的精度和更高的频率范围。为了解决极限工况(高频、大变形）下轮胎力学特性预测这一技术难题，在已建模态参数轮胎模型的基础之上，深入研究轮胎－地面相互作用的接触建模技术，轮胎结构本身的的动态位移-力传递特性，主要研究内容为：（1）准确描述轮胎的非稳态侧偏和纵滑特性，包括轮胎－地面的接触模型以及轮胎本身的动态传递特性；（2）轮胎在不平路面的三维力学特性建模和参数识别。通过上述研究更好地理解极限工况下轮胎－地面的相互作用，为建立和实施极限工况下车辆动力学仿真的轮胎模型奠定基础。

本课题探索和开拓性地研究轮胎在极限工况下的面内（垂直、纵滑）、面外（侧偏、外倾）以及面内和面外联合的高频动力学特性。为了解决极限工况(高频、大变形）下轮胎力学特性预测这一技术难题，在已建模态参数轮胎模型的基础之上，深入地研究了轮胎－地面相互作用的接触建模技术，轮胎结构本身的的动态位移-力传递特性，轮胎极限工况下的力学特性测试及数据处理以及轮胎模型参数识别及确定方法。.项目完成情况及研究成果包括：.（1）在建模方面提高了轮胎的非稳态侧偏和纵滑特性仿真精度，引入新的轮胎－地面的接触模型，即三维刷子模型。首次把轮胎本身的动态传递特性扩展到三维，并将三维刷子模型和模态参数轮胎模型集成到一起。评估了不同胎面橡胶单元摩擦模型对纵滑特性的影响，通过引入速度依赖的摩擦模型改进了大滑移下的仿真精度。.（2）轮胎在不平路面的三维力学特性建模，考虑了轮胎的印迹宽度，对模型中的阻尼模型进行了改进，轮胎阻尼随轮胎转速的变化而变化。通过与试验数据的比较上述的改进措施同时提高了轮胎高速滚过障碍物时的轴荷响应仿真精度。.（3）进行了轮胎接地印迹内的垂直压力分布测试，并将其用于模型参数辨识。（4）参考美国通用汽车公司的轮胎测试规范，在荷兰TNO针对两款轿车轮胎进行了高速下轮胎极限工况的力学特性测试及数据拟合和处理。得到了极限工况下轮胎特性的规律和可靠的试验数据。利用上述数据对已建立的基于模态参数的轮胎三维模型进行了验证，得到如下结论：.在大侧偏角（大于5度）和大滑移率工况下，原有模型计算结果与试验结果相比，存在较大误差。即仅用模态参数的方法无法定量准确的描述轮胎在极限工况下的强非线性行为。引入了新的建模方法和模型环节之后（包括把采用的二维刷子模型扩展到三维，在使用速度依赖的胎面橡胶的摩擦特性模型，并尝试使用垂直压力分布优化胎体刚度，以上工作可以把大侧偏下的仿真精度大幅度提高10%。.（4）轮胎模型参数识别方法的提出和验证。综合轮胎的静态垂直、纵向、和侧向刚度，轮胎的模态参数，轮胎的纵滑和侧偏特性试验数据，轮胎低俗滚过障碍物时的试验数据，提出了基于最小二乘全局优化拟合的三维轮胎模型参数辨识方法。把轮胎模型参数化的时间从半年缩短到3周。..在项目进行过程中培养硕士研究生1名（已毕业）, 博士研究生2名。拟发表6篇英文文章，已投稿4篇，已录用1篇（SCI检索)。还有2篇在撰写中。

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