轮胎湿滑流固耦合仿真分析案例


编辑:赵崇雷

>  轮胎水滑机理

    水滑现象是轮胎湿滑性能重要部分。在雨天或刚下完雨的情况下,由于路面排水性能不良等原因,路面上容易覆盖一层水膜,汽车行驶经过水膜时,水膜将侵入轮胎的接地区域,对轮胎产生动水压力并具有一定的润滑的作用。当车速达到一定的临界点,接地区域的水膜将不能及时排出,此时车轮在动水压力和水膜润滑作用下完全脱离地面,轮胎完全“漂浮”于水膜之上,该现象称为“水滑现象”(hydroplaning)。

    轮胎发生水滑现象时,“轮胎-水膜-路面”三者之间的相互作用情况如下图所示,Moore将其划分为3个区域:接地区域前端为完全上浮区,由于轮胎与水膜间的冲击作用而产生的动水压力将该部分的胎面举起,使轮胎与路面完全分离;区域B为过渡区域,在该区域存在很薄的水层并使轮胎胎面有局部脱离路面的趋势;区域C没有水膜的存在,故轮胎和路面处于完全接触状态。当汽车以低速行驶时,接地区域的水能及时排出,轮胎和路面间不存在水膜,区域C起主导作用;随着车速提高,排水性能变差,水膜的动水压力逐渐举起轮胎,此时主导作用的区域从区域C转移到区域A。


>  流固耦合数值求解

  轮胎湿滑和噪声的流固耦合计算都采用双向流固耦合,用数值分裂方法求解双向耦合问题,将结构变形方程和流体运动方程分开求解并在每个增量步中进行数据交换,Abaqus和FlowVision间的数据交换如图:


>  复杂花纹轮胎模型

  本案例以一款型号为385/65R22.5规格的带复杂花纹的卡车轮胎为例,其花纹实际样式与有限元模型如图所示:




>  有限元模型

  轮胎胎体和花纹分开建模,通过Abaqus中的“Tie”关键字将花纹和胎体进行贴合,如此可以在控制胎体结构不变的情况下研究花纹结构对湿滑性能的影响,可以节省大量建模时间成本。



>  湿滑仿真模型

● 轮胎滚动速度:70km/h,轮胎花纹和胎体设置为壁面(Wall)边界条件
● 空气入口和水入口定义为入口(Inlet/Outlet)边界条件,水膜设置初始条件19.444m/s
● 侧面和地面设置为对称(Symmetry)边界条件,在该表面上流体不可穿透且速度滑动可变
● 出口设置为自由出口(Free Outlet)边界条件



>  仿真结果分析

滚动轮胎经过12mm厚度水膜时水膜在各个时刻的运动情况


对比分析5mm水膜和12mm水膜对轮胎湿滑性能的影响


水膜的压力场分布


水膜的速度场分布


水膜对轮胎的举升力对比