车轮动态载荷冲击过程建模研究

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1、—————————————————————车轮动态载荷冲击过程建模研究—————————————————————StudyonTireDynamicForceduringImpactProcess作者姓名：马文俊专业名称：车辆工程指导教师：管欣教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年5月24日摘要车轮动态载荷冲击过程建模研究汽车车身和底盘结构优化设计中主要的边界输入是车轮动态载荷。汽车在不平路面上行驶时，轮胎受到地面的冲击作用，地面冲击作用力经过轮胎胎体的弹性滤波和几何滤波效应传递至轮轴。现有的用于不平路面仿真的轮胎包络模型，以等效路形作为轮胎模型的输入，需要根据仿真路

2、径提前预处理，且多为单点接触；其它的轮胎模型多为基于结构建模，如FTire轮胎模型没有考虑胎面受到的冲击接触力。因此，建立更为准确的包络效应，且描述轮胎与地面之间的冲击接触过程，是车轮动态载荷冲击过程模拟的关键。本文围绕车轮动态载荷冲击过程建模这一要点，在广泛调研轮胎与路面接触模型的基础上，将探索的重点集中于实现纵向包络效应的车轮模型的建立，主要包含以下三个方面：首先，探索将物理碰撞模型引入轮胎的冲击接触过程，通过建立胎面冲击模型，精确描述地面接触力；其次，为了更为准确地模拟轮胎的包络效应，通过将胎体离散，建立周向柔性环轮胎模型；最后，研究了多点接触探测算法，通过接触点检

3、测模型，确定接触点的位置以及胎面接触力矢量方向。基于上述的背景和问题，本论文的主要研究内容如下：1、物理碰撞接触模型研究。结合前期调研情况，本文探索将物理碰撞接触模型引入胎面力的求解，研究比较恢复系数法、解析式法及有限元法三种不同接触力求解方法。恢复系数法将冲击接触过程认为是瞬间完成，冲击接触力为无穷大，只能表达接触前后速度的变化；解析式法利用两物体之间的表面接触刚度计算冲击接触力；有限元法将两个接触物体接触表面划分为网格和节点，利用检测模型检测节点和网格接触情况，并对所有的接触力求和。有限元法是当前研究碰撞接触的成熟方法，但计算量大不能保证实时性的问题。基于此本文拟采用

4、解析式法计算胎面冲击接触力。2、冲击接触点检测算法研究。接触过程中涉及到另一个重要的研究问题是确定接触力作用点位置以及力的矢量方向，即冲击接触点的位置及方向检测。本文中使用射线探针的方法进行碰撞接触检测，在轮心处发射射线，通过计算射线与路面的I交点确定接触点的位置及路面法向量。从而实现胎体多点接触，确定轮胎接触印迹。3、建立多印迹块柔性胎体轮胎模型。本文重点考虑轮胎对路面的纵向包络效应，因而将胎体沿圆周方向离散成多个质量单元，并建立胎体质量单元的动力学模型。胎体质量单元之间采用径向弹簧阻尼描述胎体内部剪切效应；胎体质量单元与轮辋之间通过气压相互作用，利用气体压力的变化描述

5、胎体的弹性滤波效应；每个接地胎体质量单元依据静动摩擦模型计算地面纵向摩擦力，当印迹块与地面有相对滑移速度时，依据摩擦模型计算地面对印迹块的纵向作用力，且路面摩擦系数考虑印迹滑移速度影响；当印迹块与地面没有相对速度时，依据印迹块受到的纵向主动力确定地面作用力，综合接地印迹块纵向受力及径向受力表达轮轴受到的动态载荷。最终建立胎体径向动力学，实时计算柔性胎体的变形，进而表达轮胎对路面的包络效应，通过探测接触路面法向量确定胎面接触力的方向，对轮胎滚过典型不平路面胎面受到的地面接触力仿真计算，并与单点接触模型进行了对比验证，实现了轮胎纵向包络效应。关键词：轮胎模型，包络，冲击载荷，

6、物理碰撞模型，接触点检测IIABSTRACTStudyonTireDynamicForceduringImpactProcessWheeldynamicloadisthemainboundaryinputofautomotivebodyandchassisstructureoptimizationdesign.Whenthecardrivingonroughroads,impactforceeffecttire.Groundimpactforcetransferredtotheaxlethroughtirecarcasselasticfilteringandgeometr

7、icfiltering.Existingenvelopetiremodelofunevenroaduseequivalentwayshapeasinput,whichrequirepretreatmentinadvancebasedontheknownsimulationpath.Mainlyofthemissinglepointcontact.Othertiremodelsbasedonstructural,suchasfiniteelementmethodcanachievemanycontactpointwiththeg