UM FETire

Конечно-элементная модель шины в моделировании динамики колесных машин

Презентация по модулю доступна по ссылке.

Примеры моделей

Программный комплекс «Универсальный механизм» включает специализированный модуль UM FETire, который позволяет создавать конечно-элементные модели шин, исследовать их свойства и включать в состав моделей колесных машин (автомобилей, монорельсовых поездов, шасси самолетов).

Разработка модели упругой шины предполагает доступность параметров многослойного материала шины.

Текущая версия UM предлагает использование упругой шины по следующим основным направлениям:

• Расчет кривых безынерционной модели шины, применяемой при стандартном моделировании динамики колесного транспортного средства (табличная модель и TMEasy);
• Использование для моделирования динамики автомобиля в нестандартных ситуациях: наезд на бордюр, на камень, переезд через поврежденную часть дороги и т.п.;
• Моделирование износа шины.

Математическая модель упругой шины в модуле UM FETire

В программе UM упругая шина моделируется оболочкой с применением трапецеидального конечного элемента. Математическая модель элемента разработана авторами модуля и подробно описана в статьях, которые находятся в открытом доступе и могут быть получены по ссылкам статья1, статья2. Модель конечного элемента учитывает многослойный характер материала шины.

Для контакта шины с дорожным полотном реализуется щеточная модель взаимодействия, при которой контактная поверхность шины представляется набором упругих безынерционных щетинок, один конец которых связан с конечным элементом, а другой может вступать в контакт с опорной поверхностью, реализуя упруго-диссипативное взаимодействие в радиальном направлении и фрикционное – в касательном. Желтые точки соответствуют концам щетинок, вступающим в контакт. Щетинки позволяют учитывать рисунок протектора шины.

Методика ускорения моделирования: редуцированные модели и параллельные расчеты

С целью ускорения процесса моделирование реализованы редуцированные модели, в которых либо верхняя часть, либо боковины заменяются суперэлементом. Достигается примерно двух-трехкратное ускорение.

Распараллеливание расчетов на многоядерных компьютерах позволяет ускорить моделирование примерно вдвое.

Виртуальный стенд испытания шины

Виртуальный стенд для испытания шин используется:

• для создания конкретной упругой шины путем задания геометрических данных, параметров многослойного материала, описания протектора,
• для исследования некоторых свойств модели (собственные частоты, степень демпфирования, прогиб в вертикальном, продольном и поперечном направлении в зависимости от соответствующей нагрузки и т.д.),
• для расчета кривых безынерционной модели шины, применяемой при стандартном моделировании динамики колесного транспортного средства (табличная модель и TMEasy),
• для создания редуцированных моделей шины;
• для создания конечно-элементной модели, включаемой в модель колесного экипажа (автомобиля, монорельсового экипажа, мотоцикла и т.д.).

Режим испытательного стенда: автоматическое исследование свойств шины в зависимости от нагрузки. Для каждой нагрузки выполняется пять статических и три динамических теста

1. Расчет равновесия при заданной нагрузке
2. Расчет продольной статической жесткости шины
3. Расчет поперечной статической жесткости шины
4. Расчет вертикальной статической жесткости шины
5. Расчет статической жесткости шины при повороте вокруг вертикальной оси
6. Свободное качение шины
7. Расчет зависимости поперечной силы и восстанавливающего момента от угла бокового увода
8. Расчет зависимости продольной силы от продольного проскальзывания

Результаты расчета: продольная, поперечная силы и восстанавливающий момент в зависимости от соответствующего проскальзывания при различных нагрузках на колесо

Моделирование колесных машин с упругими шинами

Пример монорельсового экипажа с четырьмя упругими шинами

Упругие шины можно активировать и деактивировать: на рисунке слева две активные упругие шины, на рисунке справа – четыре.

Реализовано также динамическое управление активизацией шин, когда шина активизируется перед препятствием и деактивируется после проезда.

Пример: наезд на бордюр

Пример: переезд через искусственную неровность

Пример: проезд повреждения дороги

Пример: проезд тягового колеса монорельсового экипажа через разрыв в путевой структуре

Моделирование износа протектора шины

Отдельные полосы для расчета износа

Используется модель Арчарда износа протектора шины, в соответствии с которой скорость износа пропорциональна мощности сил трения скольжения. Контактная поверхность протектора разбивается на полосы. При недеформированной шине каждая полоса – это узкий цилиндр, диаметр которого совпадает с диаметром колеса, осью является ось вращения колеса. На срединной окружности отдельной полосы лежат точки контакта протектора с дорогой.

Износ в пределах одной полосы усредняется, то есть считается одинаковым по окружности и ширине полосы. Рассчитываются следующие переменные:

• Распределенный фактор скорости износа
• Распределенный фактор накопленного износа
• Удельный износ шины мм/1000км

Пример накопления износа вдоль сечения профиля шины c увеличением пробега