輪胎的滑水性能與車輛的行駛安全性密切相關(guān)。本文基于 Abaqus CEL 方法建立輪胎滑水仿真技術(shù)，并使用若干組計(jì)及復(fù)雜胎面花紋的輪胎有限元模型，進(jìn)行輪胎滑水案例分析，考察路面積水深度、車輛行駛速度等工況參數(shù)對(duì)輪胎滑水性能的影響。

 

結(jié)果表明，積水深度和行駛速度對(duì)輪胎滑水性能影響顯著，輪胎滑水性能隨著水深的增加而降低，隨著行駛速度的增加而顯著降低。還針對(duì)三種花紋樣式進(jìn)行輪胎滑水性能對(duì)比分析，并從設(shè)計(jì)原理上給出解釋。仿真結(jié)果與實(shí)際情況或測(cè)試結(jié)果相符，這表明，使用 ABAQUS 軟件進(jìn)行輪胎滑水仿真能夠得到合理的分析結(jié)果。

 

1. 引言

輪胎的滑水性能與車輛的行駛安全性密切相關(guān)。當(dāng)以較快速度行駛的車輛駛過覆有較深積水的路面時(shí)，因水的流體動(dòng)力學(xué)作用使輪胎與地面之間形成水膜，導(dǎo)致輪胎不能充分與地面接觸甚至完全脫離地面，這種輪胎被水托起的現(xiàn)象稱為輪胎的滑水（Hydroplaning）現(xiàn)象；相應(yīng)的輪胎使用性能被稱為輪胎的滑水性能。輪胎研發(fā)工程師努力改進(jìn)輪胎設(shè)計(jì)，尤其是胎面花紋設(shè)計(jì)，以提高輪胎的滑水性能。然而長(zhǎng)期以來，工程師們主要憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，缺乏方便有效的評(píng)價(jià)手段。

 

在試驗(yàn)方面，輪胎滑水性能測(cè)試對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地、水深、車輛、試車手、試驗(yàn)工況、安全保障措施等多方面的試驗(yàn)條件要求苛刻；在仿真方面，由于輪胎滑水現(xiàn)象涉及到復(fù)雜的力學(xué)問題，包括高度的非線性、復(fù)雜的流固耦合問題等，長(zhǎng)期缺乏有效可靠的仿真工具，也難以建立有效可靠的仿真方法。

 

2008年，Abaqus 在其新版本中正式推出CEL（Coupling Euler-Lagrange，耦合的歐拉拉格朗日）方法，大幅拓展了Abaqus軟件的流固耦合仿真能力。這也是Abaqus技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要的里程碑。

 

本文企圖基于Abaqus CEL方法，建立一套完整的輪胎滑水仿真建模和分析技術(shù)；與此同時(shí)，使用若干個(gè)計(jì)及復(fù)雜胎面花紋的輪胎有限元模型進(jìn)行輪胎滑水案例分析，考察路面積水深度、輪胎行駛速度、胎面花紋設(shè)計(jì)等因素對(duì)輪胎滑水性能的影響。

 

2. 輪胎滑水仿真模型

輪胎滑水仿真模型由輪胎模型、水/空氣復(fù)合模型、輪輞模型和路面模型四部分組成，敘述如下。

 

輪胎模型均為周期性的組合花紋輪胎模型[1]，總體建模方法如圖 1 所示。限于篇幅，本文不再對(duì)輪胎模型的建模方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，感興趣的讀者可參閱筆者曾發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)。本文共建立了三種組合花紋輪胎模型PT-A、PT-B和PT-C（如圖 2 所示），分別對(duì)應(yīng)三種花紋樣式A、B和C；其中樣式A為對(duì)稱花紋（中心對(duì)稱），樣式B為單導(dǎo)向花紋（鏡面對(duì)稱），樣式C為一款非對(duì)稱花紋。

 

 

圖 3. 用于滑水仿真的水/空氣復(fù)合模型

 

水/空氣復(fù)合模型直接使用 Abaqus/CAE 建模得到，并將離散為 Euler 單元，用于描述液體（水）可能填充的空間。經(jīng)過多次試算后，根據(jù)水流的流動(dòng)方向、流速分布以及水可能填充區(qū)域的范圍， 對(duì)模型的幾何形狀進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化前和優(yōu)化后的水/空氣復(fù)合模型的幾何形狀及網(wǎng)格劃分分別如圖 3(a)、(b)所示。與優(yōu)化前的模型（圖 3(a)）相比，優(yōu)化后的模型（圖 3(b)）在水流可能流向的方向尤其是在高度方向上，增加了 Euler 網(wǎng)格的空間范圍，在水流不可能流向的方向刪除了不必要的網(wǎng)格單元，并且在流體運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行了更加精細(xì)的網(wǎng)格劃分。借助這些措施，優(yōu)化后的模型將得到更加精確的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)避免了計(jì)算時(shí)間的大幅增加。后文進(jìn)行滑水仿真時(shí)均使用優(yōu)化后的水/空氣復(fù)合模型。

 

輪輞和路面均使用解析剛體進(jìn)行模擬，非常簡(jiǎn)單，不予詳述。

 

3. 輪胎滑水仿真方法

在進(jìn)行有限元仿真分析時(shí)，采用“先隱式后顯式” [6]的求解策略。所謂“先隱式”是指先使用Abaqus隱式求解器進(jìn)行輪胎裝配、充氣、加載和滾動(dòng)工況的模擬，即將輪胎、輪輞和路面組裝在一起，定義合理的位移/力邊界條件和接觸邊界條件，使用Abaqus/Standard進(jìn)行輪胎裝配、充氣、加載和自由滾動(dòng)工況的求解，并得到給定滾動(dòng)速度下的穩(wěn)定的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。關(guān)于此過程的模擬方法，可參考相關(guān)論文獲悉詳細(xì)描述。

 

所謂“后顯式”是指Abaqus顯式求解器進(jìn)行輪胎滑水工況的模擬，即將ABAQUS/Standard計(jì)算得到滾動(dòng)工況下穩(wěn)定的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)作為初始條件，導(dǎo)入ABAQUS/Explicit 進(jìn)行輪胎瞬態(tài)滾動(dòng)工況的計(jì)算；與此同時(shí)在有限元模型中增加水/空氣復(fù)合模型，定義合適的接觸邊界條件和初始條件，包括水流速度等相關(guān)初始條件，進(jìn)行滑水仿真的計(jì)算。

 

4. 輪胎滑水仿真結(jié)果

基于上述模型和仿真方法，使用 6.9 版本的 Abaqus 軟件進(jìn)行了輪胎滑水仿真，并考察了路面積水深度、輪胎行駛速度、胎面花紋設(shè)計(jì)等若干因素對(duì)輪胎滑水性能的影響。

 

4.1 積水深度對(duì)輪胎滑水性能的影響

使用輪胎模型 PT-A，考察了路面積水深度對(duì)輪胎滑水性能的影響。在 80km/h 的輪胎行駛速度下，當(dāng)積水深度 d 分別為 5mm、10mm 和 15mm 時(shí)，得到的輪胎滑水仿真結(jié)果如圖 4(a)至圖 4(c)所示。

 

 

圖 4. 不同水深時(shí)的輪胎滑水仿真結(jié)果.

 

為了更直觀地考察路面積水深度對(duì)輪胎滑水性能的影響，對(duì)上述三種積水深度下輪胎與地面之間的法向接觸力隨時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行了對(duì)比，如圖 5 所示。在圖中，法向接觸力越大，表示輪胎與地面之間的接觸越不充分，輪胎的滑水性能越差，對(duì)應(yīng)車輛失控的風(fēng)險(xiǎn)也就越大。 由圖 5 可以看出，路面積水深度對(duì)輪胎滑水性能影響顯著，輪胎滑水性能隨著水深的增加而降低。這與實(shí)際情況相符。

 

 

圖 5. 不同積水深度時(shí)輪胎滑水性能的對(duì)比

4.2 行駛速度對(duì)輪胎滑水性能的影響

仍使用輪胎模型 PT-A，考察了行駛速度對(duì)輪胎滑水性能的影響。在 10mm 的積水深度下，當(dāng)行駛速度 v 分別為 40mm/h、60mm/h 和 80km/h 時(shí)，得到的輪胎滑水仿真結(jié)果如圖6(a)至圖 6(c)所示。

 

 

圖 6. 不同行駛速度時(shí)的輪胎滑水仿真結(jié)果

 

為了更直觀地考察行駛速度對(duì)輪胎滑水性能的影響，對(duì)上述三種速度下輪胎與地面之間的法向接觸力隨時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行了對(duì)比，如圖 7 所示。由圖 7 可以看出，行駛速度對(duì)輪胎滑水性能影響更加顯著，輪胎滑水性能隨著行駛速度的增加而大幅降低；由圖 7 還可以看出，行駛速度越快，輪胎與地面之間接觸力的降低就越明顯，對(duì)應(yīng)車輛失控的風(fēng)險(xiǎn)大幅增加。這些結(jié)論也與實(shí)際情況相符。

 

 

圖 7. 不同行駛速度時(shí)輪胎滑水性能的對(duì)比.

 

4.3 花紋樣式對(duì)輪胎滑水性能的影響

使用分別對(duì)應(yīng)三種胎面花紋樣式的輪胎模型 PT-A、PT-B 和 PT-C，考察了花紋樣式對(duì)輪胎滑水性能的影響。當(dāng)積水深度為 10mm、行駛速度為 80mm/h 時(shí)，三組模型計(jì)算得到的輪胎滑水仿真結(jié)果如圖 8(a)至圖 8(c)所示。

 

 

圖 8. 不同花紋樣式輪胎的滑水仿真結(jié)果

 

 

圖 9. 不同花紋樣式輪胎的滑水性能對(duì)比

 

同樣地，為了便于分析，對(duì)三種花紋樣式模型計(jì)算得到的輪胎與地面之間的法向接觸力隨時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行了對(duì)比，如圖 9 所示。由圖 9 可以看出，在三種花紋樣式中，樣式 C 的滑水性能最好；B 次之；A 最差。

 

這與花紋設(shè)計(jì)的初衷是一致的：花紋樣式 A 為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；花紋樣式 B 使用單導(dǎo)向花紋設(shè)計(jì)，當(dāng)輪胎在水面上行駛時(shí)，胎面兩側(cè)的橫向花紋均有助于積水的排出；花紋樣式 C 在設(shè)計(jì)時(shí)采用了三條較寬的縱向主花紋溝槽，寬大的縱向溝槽使得積水能夠快速排出，因此使用該款花紋設(shè)計(jì)的輪胎在雨天行駛時(shí)具有更優(yōu)越的滑水性能。針對(duì)花紋樣式 C，其相應(yīng)的車輛縱向滑水性能實(shí)車測(cè)試的結(jié)果也表明，該款花紋在積水路面上確實(shí)具有十分優(yōu)越的排水性能。

 

對(duì)圖 5、圖 7 和圖 9 進(jìn)行對(duì)比分析，讀者很容易看出，相對(duì)于輪胎花紋設(shè)計(jì)的改善，積水深度和輪胎行駛速度對(duì)輪胎滑水性能的影響顯然更加顯著。這也與實(shí)際情況相符：在雨天行車時(shí)或者通過積水路面時(shí)，與選擇一款更貴更好的輪胎相比，注意觀察路面環(huán)境和控制車速對(duì)于行駛安全性更加重要。

 

5. 總結(jié)

基于 Abaqus CEL 方法，本文建立了一套輪胎滑水仿真建模和分析技術(shù)，并使用若干組計(jì)及復(fù)雜胎面花紋的輪胎有限元模型，進(jìn)行了輪胎滑水案例分析，考察了路面積水深度、輪胎行駛速度等工況條件對(duì)輪胎滑水性能的影響。結(jié)果表明，積水深度和行駛速度對(duì)輪胎滑水性能影響顯著，輪胎滑水性能隨著水深的增加而降低，隨著行駛速度的增加而顯著降低。本文還針對(duì)三種花紋樣式進(jìn)行輪胎滑水性能的對(duì)比分析，并從設(shè)計(jì)原理上給出了合理解釋。

 

文中的仿真結(jié)果與實(shí)際情況或測(cè)試結(jié)果相符，這表明，使用 ABAQUS 軟件進(jìn)行輪胎滑水仿真能夠得到合理的結(jié)果。

 

資料來源：達(dá)索官方