韓俊平，葉 紅

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430205）

汽車輪胎與路面的相互作用，是汽車行駛的主要外力來源。汽車的正常行駛、制動(dòng)以及轉(zhuǎn)向等，都是通過滾動(dòng)的輪胎完成的。輪胎的力學(xué)特性，對(duì)汽車的操縱性、舒適性、動(dòng)力性以及安全性，起著極為重要的作用。

除此以外，在輪胎的具體設(shè)計(jì)中，汽車輪胎的物理力學(xué)特性恰恰正是優(yōu)化輪胎設(shè)計(jì)、提高輪胎性能的根本依據(jù)。由此可見，對(duì)輪胎力學(xué)特性進(jìn)行研究，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

1 輪胎力學(xué)特性的研究方法

總的來說，目前輪胎力學(xué)特性的研究方法，主要包括理論研究和試驗(yàn)研究。

理論研究，是在進(jìn)行過簡化之后的物理模型的基礎(chǔ)之上建立起來的一種對(duì)輪胎力學(xué)特性的數(shù)學(xué)描述，即理論模型。理論模型可以對(duì)不同工況下輪胎的力學(xué)特性進(jìn)行分析，但理論模型為了精確表達(dá)輪胎各種工況時(shí)的力學(xué)特性，往往使用了較多的參數(shù)，這就增大了參數(shù)辨識(shí)與試驗(yàn)驗(yàn)證的難度，因此在實(shí)際車輛動(dòng)力學(xué)研究中并不被廣泛采用[1]。

試驗(yàn)研究，則是通過試驗(yàn)測(cè)量輪胎在一定工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到一定形式的輪胎力學(xué)特性經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，即經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。試?yàn)通過專用的試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行，模擬出輪胎的各種行駛條件，進(jìn)而預(yù)測(cè)輪胎的工作情況。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭挥靡惶坠骄湍軌虮磉_(dá)純工況下輪胎的力學(xué)特性，力學(xué)特性的描述準(zhǔn)確簡潔，非常適合應(yīng)用于汽車動(dòng)力學(xué)研究。

2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展及ADAMS軟件簡介

虛擬樣機(jī)技術(shù)，是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一種新方法，是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等學(xué)科的延伸發(fā)展，其利用軟件進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的建模，通過系統(tǒng)仿真，可以對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析和評(píng)估，從而為進(jìn)行物理樣機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。

虛擬樣機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)相比，非常突出的特點(diǎn)就在于其特別強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的觀點(diǎn)，可以低成本地進(jìn)行產(chǎn)品的全方位測(cè)試和評(píng)估。基于虛擬樣機(jī)技術(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以很方便地在計(jì)算機(jī)上修改設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或缺陷，反復(fù)試驗(yàn)不同的擬定設(shè)計(jì)方案，從中挑選出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)和不斷優(yōu)化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低試驗(yàn)成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)[2]。

對(duì)汽車行業(yè)來講，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立整個(gè)車輛的數(shù)字化仿真模型，將整個(gè)車輛作為一個(gè)系統(tǒng)來進(jìn)行分析和研究，就能夠發(fā)現(xiàn)部件結(jié)構(gòu)參數(shù)與整車性能之間關(guān)系的本質(zhì)規(guī)律[3]。在某種車型的實(shí)體樣機(jī)出現(xiàn)之前，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)該車型整體性能的預(yù)測(cè)，并且在該車型的具體設(shè)計(jì)過程之中，還可以通過設(shè)計(jì)參數(shù)反復(fù)進(jìn)行零部件仿真，從而進(jìn)一步很方便地達(dá)到對(duì)整車和零部件性能進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化的目的。

ADAMS軟件是由美國MDI公司開發(fā)的一款用于虛擬樣機(jī)分析的成熟軟件，目前已經(jīng)為數(shù)以百計(jì)的世界主要大型制造商所采用。ADAMS軟件是全球CAE領(lǐng)域中實(shí)際運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真工具軟件，是一款融合建模、求解、可視化等技術(shù)于一體的仿真分析軟件。

ADAMS軟件可以通過建立逼真的“功能化數(shù)字樣機(jī)”來模擬實(shí)際工作條件下機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況，從而幫助設(shè)計(jì)人員較快地從多種設(shè)計(jì)方案中，挑選出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。在具體實(shí)踐中，對(duì)于工程設(shè)計(jì)人員來說，既可以利用ADAMS軟件建立虛擬樣機(jī)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的力學(xué)分析，又可以將其作為一種分析開發(fā)工具，來進(jìn)行虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)。

圖1 ADAMS的啟動(dòng)界面

3 汽車輪胎模型與ADAMS軟件聯(lián)接過程的實(shí)現(xiàn)

在ADAMS這個(gè)軟件中，對(duì)汽車輪胎與路面之間的相互作用的研究，是在ADAMS/Tire這個(gè)模塊進(jìn)行的。利用ADAMS軟件這個(gè)模塊，用戶能夠很方便地進(jìn)行汽車輪胎縱向力等由于路面而產(chǎn)生的各種力的計(jì)算。與ADAMS/Car等模塊結(jié)合，裝備不同輪胎的整車，可以在各種不同路面條件下，進(jìn)行多組道路試驗(yàn)，很方便計(jì)算汽車的回轉(zhuǎn)、仰俯和側(cè)傾特性。ADAMS/Tire輸出的力和加速度數(shù)據(jù)，可以作為有限元軟件包的輸入載荷，進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力和疲勞特性研究。

在ADAMS/Tire這個(gè)模塊，集成了一些經(jīng)典的輪胎模型，這其中包括用于汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析的魔術(shù)模型，及用于汽車耐久性仿真分析的FTire模型。

此外，ADAMS這個(gè)軟件，還支持用戶自己定義汽車輪胎模型。不同汽車輪胎模型的數(shù)據(jù)要求、仿真結(jié)果數(shù)據(jù)輸出和模型精度，也很難完全一致，然而汽車輪胎模型的建模精度，對(duì)汽車整車建模精度有著直接影響。因此，對(duì)于汽車輪胎模型的選擇，必須與具體的仿真要求相一致。

比如說，如果在平整路面上進(jìn)行汽車操作性能方面的研究，那所有的ADAMS軟件支持的汽車輪胎模型，都擁有足夠的精度；如果在崎嶇路面上進(jìn)行操作性方面的分析，就必須使用具備三維路面交換接觸關(guān)系的汽車輪胎模型，例如FTire模型。

圖2 ADAMS/Tire模塊的使用流程

要實(shí)現(xiàn)汽車輪胎模型與ADAMS軟件的聯(lián)接，就必須選擇合適的輪胎力學(xué)模型，了解ADAMS軟件為汽車輪胎模型的嵌入所預(yù)留的接口規(guī)范，熟悉ADAMS軟件對(duì)汽車輪胎模型的調(diào)用過程，然后再來編寫聯(lián)接所需的程序。

聯(lián)接的基本過程包括：在某一仿真時(shí)刻，從汽車輪胎模型的接口中獲取汽車輪胎模型的當(dāng)前使用參數(shù)，并將這些參數(shù)傳輸?shù)狡囕喬ツＰ瓦M(jìn)行解析計(jì)算，然后將汽車輪胎模型輸出的力和力矩等力學(xué)要素，通過輪胎接口傳回到ADAMS軟件，來計(jì)算下一仿真時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，最后通過對(duì)分析仿真結(jié)果分析，來評(píng)估輪胎模型與實(shí)際情況的吻合程度。

圖3 聯(lián)接過程示意圖

4 汽車整車仿真

汽車整車仿真是指在ADAMS這個(gè)軟件中，使用完整的汽車模型進(jìn)行一系列的動(dòng)力學(xué)仿真分析。只不過在ADAMS軟件中進(jìn)行整車時(shí)，汽車整車模型是行駛在虛擬路面之上，汽車整車模型的控制，也是用驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)的。

在ADAMS軟件中，除了可以進(jìn)行汽車模型一系列的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，還可以輕松實(shí)現(xiàn)那些現(xiàn)實(shí)中難以進(jìn)行的或者是具有相當(dāng)危險(xiǎn)性的試驗(yàn)。

圖4 汽車整車仿真的般步驟

使用ADAMS軟件進(jìn)行汽車整車仿真，可以對(duì)汽車整車模型進(jìn)行包括汽車操作穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)彎平順性等一系列汽車動(dòng)力學(xué)仿真研究，并得到各種工況下操作特性曲線圖[4]。

根據(jù)仿真結(jié)果，用戶除了可以很方便地對(duì)整車子系統(tǒng)中部件進(jìn)行修改，還能夠通過更換子系統(tǒng)的類型，來觀察其對(duì)汽車整車性能的影響程度。

在ADAMS軟件中，汽車整車仿真又分為標(biāo)準(zhǔn)仿真和自定義仿真兩類。用戶如果要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)仿真，只需要在對(duì)應(yīng)的軟件界面上輸入各種參數(shù)即可。如輪胎使用參數(shù)和路面信息等，因?yàn)槠湓囼?yàn)方法都是已經(jīng)規(guī)定好的。用戶如果要進(jìn)行自定義仿真，則必須通過驅(qū)動(dòng)控制文件和參數(shù)文件，將試驗(yàn)條件和方法等都進(jìn)行自行定義。

5 結(jié)束語

對(duì)于汽車輪胎的開發(fā)過程而言，利用ADAMS軟件進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，能減少設(shè)計(jì)過程中試制試驗(yàn)的輪次，在研究過程中若采用具有預(yù)測(cè)能力的汽車輪胎模型，就必定能夠從較少的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，獲取對(duì)汽車輪胎力學(xué)特性準(zhǔn)確全面的描述，從而達(dá)到降低輪胎試驗(yàn)成本，并優(yōu)化輪胎設(shè)計(jì)的目的。

[1]郭孔輝，金凌鴿，等.統(tǒng)一輪胎模型在車輛動(dòng)力學(xué)仿真中的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（39）：241-245.

[2]周學(xué)建，周志立，等.車輛動(dòng)力學(xué)仿真中的輪胎數(shù)學(xué)模型研究現(xiàn)狀[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2002，（1）：8-11.

[3]王和毅，谷正氣，等.汽車輪胎模型研究現(xiàn)狀及其發(fā)展分析[J].橡膠工業(yè)，2005，（52）：58-63.

[4]劉 青，郭孔輝.輪胎動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)初論[J].兵工學(xué)報(bào)，1999，（20）：357-360.