汽车充气轮胎的路面滚动模拟(流固耦合)

前言

这个案例给出了“如何对固体容器包围的流体进行有限元建模”的一般方法，并展示容器上不同的载荷条件对内部流体压力，体积，密度质量等的影响作用。

学习此案例可以扩展到其他案例，例如，在流固耦合问题中对流体压力，体积，密度质量的监测。在实际工程应用中例如：汽车发动机气缸活塞运动内部气体各项指标的变化、气罐充气过程模拟等。

本技术案例展示了：

• 轮胎受车辆重力载荷压缩

• 轮胎充气模拟

• 轮胎与路面接触模拟滚动

关键仿真模拟技术特征：

• 流体静力学单元的建立

• 气体材料模型建立

• 加强单元使用（REINF265）

计算结果

轮胎充压（右）与不充压（左）变形结果：

轮胎滚动模拟变形结果：

模型建立

为模拟实际情况，轮胎尺寸采用小型轿车尺寸建立几何模型。

一、轮胎模型建立

采用SOLID186实体单元建立，先建立轮胎2D截面，后通过对轴旋转成体。

二、轮胎内气体模型建立

采用HSFLD242流体静力学单元建立，先选择轮胎内壁单元，采用EURF命令在轮胎内壁与轮胎中心点之间生成气体单元。

ESURF, XNODE, Tlab, Shape!Generates elements overlaid on the free faces of existing selected elements

实际中，轮毂区域不该存在气体单元，如图示，因此指定这部分单元为负体积气体单元，以忽略该部分单元的影响。

三、轮胎内纤维加强模型建立

采用REINF265加强单元建立。选中轮胎外表面单元，采用ereinf命令定义加强单元。

EREINF!Generates reinforcing elements from selected existing (base) elements.

四、轮毂模型建立

轮毂模型为刚体构件，因此采用多点约束模型对相应节点进行刚体约束建立，如图将轮毂上的节点与轮胎中心点采用多点约束建立刚体约束。

五、轮胎与路面接触模型建立

将轮胎外表面单元定义为CONTA174单元，将路面定义为TARGE170单元，建立面面接触。

材料参数

材料定义主要涉及：轮胎的超弹性材料，气体材料，轮胎内加强纤维材料。

轮胎橡胶材料（Mooney-Rivlin超弹性材料）

气体材料

轮胎纤维加强材料(钢)

边界&载荷条件

约束轮胎中心节点的所有自由，由于轮毂节点与轮胎中心节点为刚体约束，也就是说，轮毂被约束。

求解设置

/soluantype,trans !solcontrol,on,onpscontrol,all,offnlgeom,ontrnopt,full, , , , ,HHTtintp,0.15    !amplitude decay factor or numerical damping

本文载荷加载的关键在于对流体静力学单元（HSFLD242）的理解，篇幅有限，关于HSFLD242单元这里不详细展开，有兴趣的朋友可以私信互相交流学习。

载荷步1（静态）：模拟车辆重力，施加1吨重力，静力学计算，关闭瞬态效应。

这里进行非线性计算需要用cnvto命令设置收敛值。

timint,offacel,0.,9810,0.bf,1,temp,20nsubst,1,100,1time,1cnvtol,fcnvtol,dvolcnvtol,ucnvtol,hdspoutres,all,allsolve

载荷步2（静态）：给轮胎充气

kbc,0d,1,hdsp,0.2482128 !36 psi = 0.2482128 N/mm^2nsubst,10,100,1time,2outres,all,allsolve

载荷步3（静态）：轮胎下移与路面接触

d,1026,uy,-50nsubst,100,1000,10time,3outres,all,allsolve

载荷步4（静态）：移除所有压力和位移载荷

ddele,1026,uy,,,force !remove boundary conditionsddele,1026,rotx,,,forceddele,1026,roty,,,forceddele,1026,rotz,,,forceddele,1,hdsp !remove pressure boundary conditionnsubst,10,100,1time,4outres,all,allsolve

载荷步5（瞬态）：施加加速度条件

timint,onkbc,1midtol,on,1.e6  !set high tolerance to allow large incrementsd,1026,accz,-1400.0  !acceleration boundary conditionnsubst,10,1000,10time,5outres,all,allsolvefinish