基于脈沖試驗(yàn)獲取工程機(jī)械輪胎垂向特性參數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于脈沖試驗(yàn)獲取工程機(jī)械輪胎垂向特性參數(shù)的方法，特別是指 一種基于脈沖試驗(yàn)獲取工程機(jī)械輪胎垂向剛度阻尼參數(shù)的方法;屬于汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 輪胎作為車輛與路面接觸的唯一載體，不僅承載著車身重量，而且作為車輛的第 一級減振系統(tǒng)，緩沖和衰減在行駛過程中來自路面的沖擊和振動，其力學(xué)特性是車輛動力 學(xué)分析和研究的基礎(chǔ)。超大型輪胎因其承載量大，能有效提升運(yùn)輸效率，被廣泛應(yīng)用于大噸 位礦用自卸車、輪式裝載機(jī)等大型工程車輛。其結(jié)構(gòu)組分類似于轎車輪胎，由多種材料復(fù)合 壓制而成，主要包括胎體簾布層、帶束層、鋼絲圈和橡膠層。其主要力學(xué)性能有:在很大程度 上決定并影響車輛的驅(qū)動性能和制動安全性的輪胎縱滑特性;決定車輛的轉(zhuǎn)向操縱和方向 穩(wěn)定性的輪胎側(cè)偏特性;對車輛的NVH(噪聲、振動、平順性)特性具有重要影響的輪胎垂向 剛度阻尼特性;影響車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的輪胎滾動阻力特性等。因而，構(gòu)建合理而準(zhǔn)確的輪胎 力學(xué)模型，對于提高整車動力學(xué)仿真精度，進(jìn)行與輪胎相關(guān)的車輛動力學(xué)開發(fā)，具有重要意 義。國內(nèi)外專家學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量的研究工作，構(gòu)建了形式多樣的輪胎理論模型或 經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，這些模型可以在一定程度上同時(shí)描述輪胎的多方面力學(xué)特性而被廣泛應(yīng) 用。理論模型是在輪胎物理模型進(jìn)行合理簡化的基礎(chǔ)上，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型以對輪胎力學(xué)特性 加以描述。具有代表性的有:Fiala輪胎模型、Pacejka弦模型和Ftire輪胎模型等。理論模 型通用性強(qiáng)，求解精度高，能準(zhǔn)確反映出輪胎模型各參數(shù)對輪胎力學(xué)性能的影響，但缺點(diǎn)是 模型表達(dá)式繁瑣，用于車輛動力學(xué)仿真時(shí)的計(jì)算效率偏低。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪窃诖罅枯喬チW(xué)特 性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建相關(guān)數(shù)學(xué)模型來表達(dá)輪胎的動力學(xué)特性，如魔術(shù)公式(Magic formula)輪胎模型、MF-Tyre模型和Swift輪胎模型等。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)較為簡單， 運(yùn)算較快，但缺點(diǎn)是對試驗(yàn)結(jié)果的依賴性較大。半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣t是介于理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?之間的一種模型，如統(tǒng)一(UniTire)輪胎模型。除此之外，也有直接通過臺架試驗(yàn)(一般為德 國SCHENCK公司制造)獲取輪胎垂向剛度阻尼參數(shù)的。但是，通過這些模型來描述輪胎動力 學(xué)特性的普遍問題是，模型參數(shù)的物理意義不夠明確，不能直接跟輪胎本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和 材料參數(shù)聯(lián)系起來；同時(shí)它們都依賴于大量的有針對性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且這些試驗(yàn)設(shè)備一 般只能針對輪胎直徑在1.5米以內(nèi)的乘用車輪胎開展動力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備能夠提供的試 驗(yàn)載荷不超過1噸。
[0003] 超大型輪胎體型巨大，單胎承載量接近100噸，最大直徑接近4米，一般為無內(nèi)胎式 輪胎。目前除了法國米其林輪胎公司和日本普利司通輪胎公司等幾家國外大型輪胎公司能 夠?yàn)橄嚓P(guān)特種車輛提供超大型輪胎的試驗(yàn)設(shè)備外，我國尤其對于整車廠家來說幾乎沒有相 關(guān)的試驗(yàn)條件來開展超大型輪胎的力學(xué)特性測試，而輪胎生產(chǎn)廠家又不愿意公開相關(guān)的試 驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0004] 盡管隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的興起，CAE技術(shù)被引入輪胎力學(xué)特性的研究，采用有限元 法對輪胎進(jìn)行力學(xué)特性分析已成為近年來輪胎領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是這些分析也主要集中 在小型轎車輪胎本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，很少有涉及汽車設(shè)計(jì)過程中所關(guān)心的輪胎剛度阻尼 特性獲取問題的研究。由于輪胎結(jié)構(gòu)、材料性質(zhì)、載荷及變形的復(fù)雜性和特殊性，超大型輪 胎的力學(xué)性能分析一直是十分困難的工作，現(xiàn)有分析方法顯得無能為力，幾乎沒有相關(guān)文 獻(xiàn)對其力學(xué)特性分析所需的理論或試驗(yàn)方法進(jìn)行公開報(bào)道。目前國內(nèi)以大噸位電動輪自卸 車為代表的大型工程車輛正處于由國外壟斷進(jìn)入規(guī)模國產(chǎn)化的階段，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中， 作為與地面唯一接觸的部件，超大型輪胎的力學(xué)特性直接影響整車的動力學(xué)特性，是整車 開發(fā)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。然而，現(xiàn)實(shí)情況是因?yàn)闆]有輪胎生產(chǎn)廠家提供的力學(xué)特性參數(shù)，開 發(fā)者在設(shè)計(jì)過程中往往不得不對其做大量簡化，或者在分析計(jì)算中直接避開實(shí)際的輪胎模 型，僅憑借經(jīng)驗(yàn)取值。結(jié)果是整車廠家很難確認(rèn)開發(fā)設(shè)計(jì)過程中的計(jì)算精度，甚至導(dǎo)致很大 的誤差，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品開發(fā)的可靠度，和類似大型工程車輛國產(chǎn)化的進(jìn)程。因此，針對諸 如車輛NVH性能等特定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，謀求超大型輪胎相關(guān)力學(xué)特性參數(shù)獲取的新方法，推進(jìn) 企業(yè)掌握產(chǎn)品開發(fā)過程中的核心技術(shù)，推動國產(chǎn)化進(jìn)程，就顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明提出一種基于脈沖試驗(yàn)獲取工程機(jī)械輪胎垂向特性參數(shù) 的方法。
[0006] 本發(fā)明提出的基于脈沖試驗(yàn)獲取工程機(jī)械輪胎垂向特性參數(shù)的方法;首先建立輪 胎-路面耦合三維有限元模型，并開展脈沖工況虛擬動力學(xué)仿真，獲得多組估計(jì)材料參數(shù)下 對應(yīng)的輪胎中心點(diǎn)垂向加速度;其次，建立基于單隱含層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)辨識方法，并利 用仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)對其進(jìn)行訓(xùn)練;然后，通過將實(shí)車道路脈沖試驗(yàn)獲得的輪胎中心點(diǎn)垂向加 速度帶入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，辨識出輪胎各組分的材料參數(shù);最后，通過基于虛擬試驗(yàn)臺的 垂向靜態(tài)加載試驗(yàn)和自由振動衰減試驗(yàn)獲得超大型輪胎的垂向剛度阻尼參數(shù)。
[0007] 本發(fā)明基于脈沖試驗(yàn)獲取工程機(jī)械輪胎垂向特性參數(shù)的方法，包括下述步驟：
[0008] 步驟一、建立輪胎-路面耦合三維有限元模型
[0009] 首先，根據(jù)設(shè)計(jì)的輪胎尺寸數(shù)據(jù)繪制輪胎CAD截面輪廓圖，按構(gòu)成輪胎材料性質(zhì)不 同，將輪胎CAD截面輪廓圖劃分為鋼絲圈、簾布層、帶束層、橡膠層四個(gè)部分，在所述四個(gè)部 分中，按l-5mm為邊長，分別在每一個(gè)部分中劃分四邊形網(wǎng)格;將輪胎CAD截面輪廓圖繞輪胎 中心軸旋轉(zhuǎn)360°，得到按材料性質(zhì)分區(qū)的輪胎三維有限元模型；不同性質(zhì)材料區(qū)域之間按 粘連方式建立接觸；
[0010]其次，以實(shí)車連接桿系對輪胎的約束為邊界條件，對輪胎三維有限元模型進(jìn)行約 束，得到連接桿系約束的輪胎三維有限元模型；
[0011]最后，以實(shí)車運(yùn)行時(shí)路面對輪胎的約束作為邊界條件，對連接桿系約束的輪胎三 維有限元模型進(jìn)行約束，得到輪胎-路面耦合三維有限元模型；
[0012] 步驟二、脈沖工況虛擬試驗(yàn)仿真
[0013] 在步驟一得到的輪胎-路面耦合三維有限元模型中設(shè)置三角形脈沖塊，得到包含 脈沖塊的輪胎-路面耦合三維有限元模型;三角形脈沖塊高度尺寸h為：
[0014] d/15 < h < d/12，d為輪胎直徑;三角形脈沖塊的寬度2輪胎寬度。
[0015] 根據(jù)構(gòu)成輪胎的鋼絲圈、簾布層、帶束層、橡膠層的泊松比、彈性模量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 分別確定鋼絲圈、簾布層、帶束層、橡膠層的泊松比、彈性模量的基準(zhǔn)數(shù)；
[0016]在鋼絲圈、簾布層、帶束層、橡膠層的泊松比、彈性模量的基準(zhǔn)數(shù)的±10-20%范圍 內(nèi)，采用優(yōu)化拉丁超立方抽樣方法選取至少40組鋼絲圈、簾布層、帶束層、橡膠層的泊松比、 彈性模量的數(shù)值，作為脈沖工況虛擬試驗(yàn)仿真的輸入?yún)?shù);將每一組脈沖工況虛擬試驗(yàn)仿 真的輸入?yún)?shù)代入包含三角形脈沖塊的輪胎-路面耦合三維有限元模型中，以運(yùn)行速度V 進(jìn)行脈沖工況虛擬試驗(yàn)仿真，得到至少40條輪胎中心點(diǎn)垂向加速度曲線;運(yùn)行速度V取值范 圍為 20-60Km/h;
[0017] 步驟三、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練
[0018]選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的類型為BP網(wǎng)絡(luò)，包含一個(gè)輸入層，輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為n，一個(gè)隱含層， 隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為10,一個(gè)輸出層，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為8;輸入層的η個(gè)節(jié)點(diǎn)分別代表η個(gè)加速度 值，輸出層的8個(gè)節(jié)點(diǎn)分別代表輪胎有限元模型中鋼絲圈、簾布層、帶束層、橡膠層的泊松比 和彈性模量;輸入層到隱含層的傳遞函數(shù)為雙曲正切(tansig)函數(shù)，隱含層到輸出層的傳 遞函數(shù)為非線性(sigmoid)傳遞函數(shù)；
[0019] 選擇步驟二得到的輪胎中心點(diǎn)垂向加速度曲線中的至少35條曲線，對所選的每一 條曲線的脈沖響應(yīng)段的加速度曲線段進(jìn)行η等分，得到至少35組脈沖響應(yīng)段內(nèi)輪胎中心點(diǎn)η 個(gè)垂向加速度值，將每組η個(gè)垂向加速度值作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本，BP網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行后，得到網(wǎng) 絡(luò)輸出值；
[0020] 對BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練；
[0021] 當(dāng)BP網(wǎng)絡(luò)的輸出值與相應(yīng)垂向加速度曲線對應(yīng)的脈沖虛擬試驗(yàn)仿真輪胎有限元 模型的鋼絲圈、簾布層、帶束層、橡膠層的泊松比和彈性模量的輸入值之間的誤差<0.5-1%時(shí)，完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練;得到訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；
[0022]步驟四、獲取輪胎材料參數(shù)
[0023]對實(shí)際車輛按運(yùn)行速度V進(jìn)行脈沖試驗(yàn)，得到輪胎中心垂向加速度曲線;然后，將 獲得的輪胎中心垂向加速度曲線中脈沖響應(yīng)段的加速度曲線段進(jìn)行η等分，得到脈沖響應(yīng) 段內(nèi)輪胎中心點(diǎn)η個(gè)垂向加速度值，將η個(gè)垂向加速度值作為ΒΡ網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)，代入步驟 三訓(xùn)練好的ΒΡ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的輸出值即為實(shí)際輪胎中鋼絲圈、簾布層、帶束層、橡膠層 的泊松比、彈性模量值；
[0024]步驟五、建立虛擬仿真試驗(yàn)臺
[0025] 首先，將步驟四得到的實(shí)際輪胎中鋼絲圈、簾布