В эту пору года много где уже чувствуются приближающиеся холода, и пришло время готовить к зимнему сезону свои дома, приусадебные участки, гардероб и – если вы живёте в холодном климате – менять покрышки на автомобиле.

Там, где температура зимой опускается ниже нуля, на дорогах появляется наледь. Она особенно опасна при небольшой толщине, когда она почти незаметна на дороге (английский термин «black ice» делает отсылку к тому, что через наледь обычно виден асфальт). К счастью, реализованные в современных автомобилях технологии существенно повышают безопасность зимней езды. Один из ключевых аспектов безопасности – использование специальных зимних покрышек.

Благодаря внедрению компьютерного моделирования при проектировании автомобильных покрышек удалось существенно расширить возможности инженеров. Моделирование позволяет оценить характеристики покрышки в различных условиях ещё до производства опытной партии. В частности, расчёт отпечатка шины на дороге позволяет определить сцепление и управляемость, обеспечиваемые покрышкой. Также можно оценить сопротивление при качении и работу покрышки при торможении. Для этого обычно выполняют расчёт установившегося качения покрышки (steady-state rolling analysis). Для зимних покрышек, более мягкий состав которых призван улучшить сцепление и уменьшить тормозную дистанцию, выполнение расчёта является как никогда важным. Применение моделирования позволяет обеспечить заданные характеристики, не снижая долговечности покрышки.

Если вы хотите больше узнать о расчёте покрышек, мы рекомендуем ознакомиться с материалами вебинара «Analyzing and Simulating a Tire» (на английском языке). В данной статье представлен короткий обзор вебинара.

Расчётные возможности программного продукта Ansys Mechanical делают его идеальным кандидатом для расчёта покрышек. Для углублённого расчёта, обеспечивающего высокую точность результатов, необходима возможность послойного задания характеристик основного материала и армирующих элементов (корда), а также рисунка покрышки.

Расчёт покрышек: перенос данных из двумерного в трёхмерный расчёт

Для эффективного моделирования отпечатка покрышки и её поведения в поворотах используется следующая технология: изначальный процесс установки и накачки покрышки рассчитывается в двумерной осесимметричной постановке, а затем результаты интерполируются на трёхмерную сетку для проведения последующих расчётов. При этом сетка конечных элементов в трёхмерной модели строится автоматически по двумерной модели. На полученной трёхмерной модели можно рассчитывать любые процессы, которые не являются осесимметричными: учёт несимметричности при накачке, расчёт отпечатка на дороге, расчёт установившегося качения, в том числе на разных углах развала колёс, расчёт наезда на препятствие и так далее.

Распределение контактного давления в задаче о расчёте отпечатка покрышки в Ansys Mechanical

Для расчёта установившегося режима качения в Ansys Mechanical можно применять гибридный подход «Arbitrary Eulerian Lagrangian», объединяющий сетки в лагранжевой и эйлеровой постановках. Такой подход позволяет учесть инерционные нагрузки в фиксированной системе координат и рассчитывать такие задачи, как качение с различными углами развала, наезд на кочки и бордюры, попадание в ямы и так далее.

Расчёт накачки шины в трёхмерной постановке в Ansys Mechanical

Повышение температуры покрышки и связанные с этим риски

Долговечность покрышек сильно зависит от того, как они накачаны. Несоблюдение рекомендуемого давления приводит к повышенному износу. Это явление также можно моделировать, рассчитывая контактное взаимодействие покрышки с дорогой.

При нормальной эксплуатации покрышки нагреваются из-за вязкоупругих потерь в резине. Ansys Mechanical позволяет рассчитать энергию деформирования, рассеяние её в тепло и тепловое состояние покрышки. Эти задачи особенно важны с точки зрения безопасности, так как недостаточное давление в покрышке может привести к её повышенному нагреву и взрыву. Помимо этого, повышение температуры также снижает долговечность покрышки.

Расчёт теплового состояния покрышки в трёхмерной постановке в Ansys Mechanical

Для расчёта температуры покрышки при качении необходимо рассчитать этап накачки, отпечаток покрышки и установившийся режим качения. После чего можно определить изменение напряжений и относительных деформаций в каждой точке модели при совершении полного оборота. Далее необходимо выполнить расчёт задачи гидрогазодинамики (CFD – computational fluid dynamics) в программном продукте Ansys Fluent, чтобы получить поток воздуха вокруг покрышки, определить интенсивность теплообмена и, наконец, рассчитать распределение температур.

Снижение шума от покрышек

Распространение электрических автомобилей способствует повышению комфорта пассажиров, в том числе снижению уровня шума. В традиционных автомобилях двигатель внутреннего сгорания обычно являлся одним из главных источников шума, но в новых электромобилях на первый план выходят покрышки.

Расчёт гармонического отклика в Ansys Mechanical

Ansys Mechanical позволяет рассчитать шум от покрышки. Для этого проводится расчёт гармонического отклика на основе расчёта установившегося режима качения и преднапряжённого модального расчёта. При этом возбуждающая нагрузка зависит от шероховатости дорожного покрытия и учитывает контактное взаимодействие покрышки с дорогой.

Таким образом, технологии компьютерного моделирования способны обеспечить комфортные и безопасные условия вождения. Чтобы узнать больше про расчёты, проводимые для оптимизации зимних покрышек, ознакомьтесь с материалами вебинара «Analyzing and Simulating a Tire» (на английском языке).

Источник: www.ansys.soften.com.ua