模態輪胎
關注創建者：mishaw 創建時間：2018-11-17
模態輪胎的視頻教程
模態輪胎的實例教程
滾動輪胎模態仿真 ￥10
滾動輪胎模態仿真實際上是在輪荷加載的基礎之上的重啟動分析。輪胎在穩態滾動過程中,會受到預加載荷、慣性力以及輪胎和地面的摩擦力的影響,這些力會對整個系統的剛度矩陣和阻尼矩陣產生影響,導致非對稱性。故不能采用常規方法對動力學方程進行解耦,必須用復模態來解耦,所以滾動輪胎的模態仿真其實是復模態的的提取。
在abaqus的穩態滾動中,輪胎實際上是不滾動的,只是內部材料的流動（歐拉-拉格朗日法）。在提取復模態之前,必須保證輪胎滾動的轉速和線速度相匹配，故需先進行roll tire仿真調試：
roll tire計算中，先給定輪胎線速度、轉動角速度然后提取輪胎輪心的力矩M,當輪胎穩態滾動的時候, 輪胎輪心的力矩M應該為0。在實際操作中,需要不斷的調節定義的ω值,使最終繞Y向的力矩M在[-10,10]之內。
進行roll tire計算時，首先進行step1二維輪胎充氣仿真計算，然后進行step2rev旋轉3D輪胎生成及輪荷加載計算，在此基礎上進行Free roll計算Inp文件的編寫，進行計算，查看輪胎輪心的力矩M判斷輪胎是否處于穩態滾動狀態。下圖為step1.inp以及step2rev.inp運行結果圖：
展開 3D輪胎自由模態的提取 ￥5
本次文章主要講述了3D輪胎自由模態的提取，因為所要提取的是自由模態，所以此次要編寫的inp文件與step2rev.inp相比無需考慮剛性路面的建立、輪荷加載的設置等因素，只需定義輪輞的屬性、3D輪胎充氣仿真以及基于LANCZOS求解法的3D輪胎自由模態提取即可。模態頻率的關鍵字為*FREQUENCY，提取范圍為0.1——300Hz。
本次操作基于前文所述的Hypermesh 輸出二維輪胎模型2D.inp，將二維輪胎模型進行旋轉可得3D輪胎模型，關鍵字為*SYMMETRIC MODEL GENERATION.
二維輪胎有限元模型如下所示：
有關3D輪胎旋轉的相關內容在3D輪胎的生成文章中已進行講述，這里不再過多贅述，3D輪胎生成inp文件編寫如下：
生成的3D輪胎模型如下所示：
展開 NVH用的NASTRAN模態輪胎建模和耐久與操控用的ADAMS輪胎建模詳見輪胎建模（ 1.5 Tire）。注意NASTRAN模態輪胎只能用于NVH分析，不要試圖轉換成MNF柔性體在ADAMS下用于耐久與操控分析，因為輪胎的狀態不一樣。
整車路噪之所以屬于隨機分析，原因就是行駛時輸入路面不平度數據的隨機性，其數據處理方式是基于隨機振動中載荷譜功率譜密度（Power Spetral Density）理論，將路面掃描的時域數據轉換為分析用的頻域PSD數據如下所示：
模態輪胎之所以加上模態，原因是輪胎NVH模型的生成是基于純滾動并加載狀態下輪胎的模態分析結果，滾動輪胎（輪荷4000N、輪胎型號205/55R16）在不同車速（0/60/100 kph）下模態測試結果示例如下圖：
整車路噪傳遞路徑分析模型示意圖如下：
傳遞路徑計算公式如下：
由此可知，可以從激勵源—路徑—響應這三個方面入手進行優化，具體到整車路噪分析就是：
1、激勵源—路面/輪胎/底盤：
對于路面，選擇專用于路噪測試的光滑和粗糙兩種路面，即路面標準等級為A~B級。
粗糙路面如下圖所示：
對于輪胎，要控制路面到輪心（軸頭）的峰值頻率（車輪模態與輪胎聲腔模態）和不同頻率段傳遞率。注意此時輪胎是純滾動并加載狀態（即整車行駛時輪胎的實際狀態），不是靜止或自由狀態。
2、路徑—接附點：
對于底盤，要控制輪心（軸頭）到接附點的峰值頻率（副車架模態與懸架模態）和傳遞率。
對于底盤與車身之間的接附點，要控制關鍵路徑（即正負貢獻量在前的）的襯套剛度與接附點動剛度。
展開 虛擬路譜激勵的整車路躁仿真，首先激勵源是路面不平度，直接加載到整車模型的輪胎footprint點，提取人耳處的聲壓響應和方向盤、座椅等位置的振動加速度響應。所以，要完成這一整套的仿真分析后處理過程，有以下幾個技術難點。
1.輪胎的建模仿真
虛擬路譜直接加載到輪胎模型上，繞不開對輪胎的建模和仿真。輪胎是一種高度非線性，成分非常復雜的子系統，其自身的力傳遞特性直接決定了從地面傳遞到輪芯的力大小，所以，為了準確的進行整車的路躁仿真，準確的輪胎模型是必須的，所以一般通常使用的那種簡易輪胎模型（即整個輪胎一圈均使用rbe2單元連接，接地點使用0長度BUSH單元模擬輪胎接地的XYZ向剛度）就不適用了。
FE tire模型
目前，在NVH仿真領域，輪胎可以達到的頻率范圍至少要300Hz以上，適用于整車建模的精確的輪胎建模仿真解決方案主要有兩種：一種是模態輪胎，另一種是CDtire。兩種均可以得到精確的地面到輪心的力傳遞特性，但也有不同的。模態輪胎是傳統的FE輪胎，是一種基于設計參數的輪胎模型，即使用輪胎設計的材料屬性，來構建輪胎有限元模型，采用橡膠某一種的本構模型，來構建輪胎的力學關系，通過非線性的有限元仿真，來得到輪胎的動力學結果，直至轉化得到通用有限元軟件能使用的模態輪胎模型。而CDtire就不一樣了，它是一種基于經驗（實驗）的輪胎模型。對于一個已經有實物的輪胎，給輪胎做各種各樣的實驗，通過這些實驗數據和結果，使用軟件擬合得到一個輪胎模型，這個輪胎模型可以適用的范圍比較廣泛，根據實驗的不同擬合出來的輪胎也是不同的，但完備的實驗數據和結果，甚至可以得到一個多體動力學和NVH共用的輪胎模型。
CDtire 模型和構建層數原理圖
2.虛擬路譜的獲取
虛擬路譜是激勵源，需要把路面的不平度轉化為虛擬路譜進行加載。
展開 3D輪胎載荷下模態的提取 ￥5
本次課程將講述3D輪胎載荷下模態的提取，其過程依舊是使用UE編寫inp文件，然后基于step2rev.inp文件的計算結果上進行重啟動分析，提取模態，求解運算。
下圖為step2rev.inp運算后得到的3D輪胎載荷模型：
模態提取以*FREQUENCY為關鍵詞，求解方法采用LANCZOS法，提取的模態范圍為0.1——300HZ。邊界條件為路面全約束即可。在UE中編寫inp文件：
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2 應用案例
東風汽車采用漢航Hunter Box硬件和NTS.LAB模態測試分析及輪胎力傳遞率和側向剛度分析軟件，通過試驗方法獲取結構的模態信息、力傳遞率及剛度參數，并與有限元結果進行對比，從而驗證有限元模型的準確性以及可供優化設計的方向。
2.1 車輪模態試驗分析
輪轂的約束條件一般有：自由懸掛和柔性支撐。
在路面激勵的 作用下，由輪胎本體模態及空腔模態造成的振動能量集 中，最終會在軸頭的振動加速度上表現出來。觀察發 現軸頭處的振動加速度峰值與輪胎的相關模態時啦。由于輪胎小體模態頻率不能進行大幅度變更 ，無法進 行有效 的模態規避 ，所 以主要針對輪胎 的振動衰減能 力進行提升。主要優化方案包括調整輪胎胎面橡膠厚 度 、調整帶束層鋪設角度及胎肩的鋪設面積等。
225Hz處的路噪問題是輪胎聲腔模態共振問題，不需要進行路徑貢獻率分析。
3 CAE分析
后輪的振動激勵是通過后懸架和后副車架接附點傳遞到車身；排氣吊鉤3是焊接在后副車架上的，后副車架是柔接在車身上，排氣吊鉤3的振動激勵是通過后副車架接附點傳遞到車身；225Hz左右輪胎聲腔模態的振動也是通過后懸傳遞到車身上的，路噪問題都集中在后懸各傳遞路徑上。
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上一節講述了基于模態法的自由輪胎和載荷輪胎的頻響分析，其在胎面149點的頻響曲線分別如下：
今天主要講述穩態滾動輪胎的頻響分析，與自由輪胎和載荷輪胎不同，輪胎在穩態滾動狀態下，整個系統的剛度矩陣和阻尼矩陣為不對稱的，采用基于模態法的頻響分析并不能完全表現其模態特性，故穩態滾動輪胎的頻響分析一般采用直接法。
輪胎的頻響分析是基于模態分析進行的，屬動力學分析：
*STEADY STATE DYNAMICS,FREQUENCY
輪胎自由及載荷狀態下的模態如下：
現在，基于模態仿真信息進行輪胎自由頻響分析inp文件的編寫：
*HEADING
Step3:FRF based free mode from step2free_mode_.inp
*RESTART,READ
**（先進行基于模態分
滾動輪胎模態仿真實際上是在輪荷加載的基礎之上的重啟動分析。輪胎在穩態滾動過程中,會受到預加載荷、慣性力以及輪胎和地面的摩擦力的影響,這些力會對整個系統的剛度矩陣和阻尼矩陣產生影響,導致非對稱性。故不能采用常規方法對動力學方程進行解耦,必須用復模態來解耦,所以滾動輪胎的模態仿真其實是復模態的的提取。
在abaqus的穩態滾動中,輪胎實際上是不滾動的,只是內部材料的流動（歐拉-拉格朗日法）。
