Моделирование отказа шины при небольшом перекрытии при лобовом столкновении: влияние на динамику автомобиля

При лобовом столкновении с небольшим перекрытием внешние края автомобиля, которые плохо защищены структурами зоны смятия, формируют основной несущий путь нагрузки. Шины и колеса, а также подвеска обычно подвергаются силовому воздействию удара. Шины, ударяющиеся о жесткий барьер, обычно лопаются с разрывом шины и колеса, а также теряют герметичность из-за схода шины с обода. Лопнувшая шина влияет на кинематику и деформацию подвески автомобиля и, следовательно, влияет на аварийную производительность автомобиля.

Учет снижения давления из-за лопнувшей шины важен для точного предсказания аварийного отклика автомобиля. Поэтому моделирование лопнувшей шины, вызванной повреждением материала и/или сходом с обода из-за потери герметичности между шиной и ободом, является ключевым для воспроизведения события столкновения с небольшим перекрытием. Эта статья представляет КЭ-моделирование шин в Abaqus для учета лопнувшей шины в аварийных симуляциях.

Моделирование шины

Первый шаг — создание двумерной осесимметричной модели надувания шины. Это включает моделирование протектора и боковины шины с использованием осесимметричных твердых элементов; моделирование ремней и каркаса шины с встроенными осесимметричными поверхностными элементами; и обод с осесимметричными оболочечными элементами.

Второй шаг — генерация симметричной трехмерной модели шины путем вращения двумерной модели в конце анализа надувания на 360 градусов. С параметром «FILE NAME» опции *SYMMETRIC MODEL GENERATION в Abaqus/Standard будет создана трехмерная модель с расширением имени .axi. Этот файл включает определения узлов, элементов и сечений.

Моделирование лопнувшей шины

Ключевая особенность для воспроизведения лопнувшей шины — моделирование двух механизмов отказа: разрыва материала в шине и ободе и схода с обода. Поэтому в трехмерную модель шины должны быть внесены следующие изменения: боковина шины и обод должны быть смоделированы как две отдельные части, чтобы разрешить разделение для учета схода с обода. Стальной обод должен быть смоделирован так, чтобы было достаточное сопротивление и трение, чтобы держать шину целой при надувании рекомендуемым давлением. Здесь мы моделируем обод шины с использованием 3D-балковых элементов.

Материальные свойства протектора и боковины шины должны уметь захватывать разрушающее повреждение резинового материала при ударе, создавая отверстия в шине, позволяющие воздуху выходить наружу и шине лопаться. В зависимости от условий, таких как угол удара и скорость удара, любой механизм может вызвать лопнувшую шину. Тот из двух механизмов — разрушение материала и сход с обода — который произойдет первым, будет сопровождаться лопнувшей шиной и быстрым падением давления в шине и потерей поддержки подвески автомобиля.

Функция жидкостной полости Abaqus используется для моделирования внутреннего давления шины. Закрытый объем определяется с использованием поверхностных элементов, покрывающих внутреннюю часть шины и обода, совместно использующих узлы с внутренним слоем узлов шины и обода. Давление шины связано с закрытым объемом. Для учета отказа материала мы используем гиперупругий материал вместе с критериями повреждения для резиновых свойств протектора и боковины. При повреждении материала и удалении элементов поверхностные элементы, лежащие под резиновым материалом, будут свободны, чтобы быть вытолкнутыми наружу шины разницей давлений.

Объем жидкостной полости быстро увеличивается, и давление шины падает по мере увеличения объема. Для учета схода с обода область контакта шины с ободом должна быть смоделирована следующим образом: кольцо поверхностных элементов на ободе, где одно прикреплено к боковине шины, пересчитывается с более мелкой сеткой, создавая два слоя свободных узлов на закрытом объеме жидкостной полости. Два кольца оболочечных элементов с пренебрежимой материальной жесткостью добавляются, совместно использующих узлы с двумя кольцами поверхностных элементов. Контакт определяется между двумя кольцами оболочечных элементов и ободом, чтобы держать свободные узлы на месте, когда шина и обод не разделены.

Свободные узлы смещены, чтобы избежать нахождения в том же месте, что и обод, для лучших контактных условий. Когда происходит сход с обода, свободные узлы будут свободны проходить через отверстие, тем самым увеличивая объем и снижая давление в шине. Красные линии соответствуют поверхностным элементам с базовыми оболочечными элементами, закрывающими зазор между шиной и ободом, тем самым создавая закрытый объем для жидкостной полости.

Результаты моделирования

Были смоделированы вертикальный удар, боковой удар и удар под углом 45 градусов. Выяснилось, что при вертикальном ударе, когда ударяющий контактирует с шиной на протекторе, резиновый материал повреждается там, где обод также контактирует с протектором. Лопнувшая шина следует с быстрым падением давления. При боковом ударе, когда ударяющий контактирует с боковиной шины, боковина отделяется от обода. Лопнувшая шина следует с быстрым падением давления. При ударе под 45 градусов происходят и повреждение материала, и сход с обода, что приводит к депрессионировке шины.

Повреждение материала произошло первым примерно через 4 мс, а сход с обода последовало примерно через 4.5 мс с другой стороны шины, где обод движется быстрее боковины из-за удара. Кривая давления жидкостной полости получена из моделирования. Показано, что давление продолжает расти после повреждения материала, так как скорость выхода воздуха все еще ниже, чем рост давления из-за удара. Но через 0.5 мс давление начинает падать. Шина полностью сдувается примерно через 5.5 мс. Процесс лопнувшей шины занимает в сумме 1.5 мс от первого появления повреждения материала до нулевого давления.

Хотите узнать больше?

Нажмите здесь, чтобы просмотреть и зарегистрироваться на наши обучающие курсы.