一种基于简化柔性环模型的凹坑路面轮胎力学特性估算方法

本发明属于车辆工程，尤其涉及一种基于简化柔性环模型的凹坑路面轮胎力学特性估算方法。

背景技术：

1、轮胎是车辆与路面直接接触的关键部件，轮胎力学特性直接决定车辆行驶安全性与操纵稳定性。车辆行经凹坑类非结构化路面时，轮胎会产生剧烈径向压缩、纵向滑移及瞬态冲击变形。

2、当前主流的轮胎力学估算方法存在明显短板，具体如下：

3、dugoff模型、魔术公式等稳态经验轮胎模型为追求计算速度，大幅简化轮胎包络作用机理，仅适用于平整铺装路面，难以精准表征凹坑路况下轮胎瞬态冲击受力；传统刚性环模型包络适配性不足，应对短波凹坑路面的力学计算误差大。精细化有限元仿真虽能高保真还原轮胎大变形与瞬态受力状态，但模型网格数量庞大、运算耗时高，仅能离线仿真计算，无法适配车载控制器实时算力需求。常规柔性环理论虽具备优异的路面包络计算精度，但完整柔性环偏微分方程组求解复杂、计算成本高昂，难以落地于智能底盘在线实时力值估算。

4、因此，亟需研发兼顾力学保真度与实时计算效率的凹坑路面轮胎力学特性估算方法。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于简化柔性环模型的凹坑路面轮胎力学特性估算方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于简化柔性环模型的凹坑路面轮胎力学特性估算方法，包括：

4、建立子午线轮胎高保真有限元基准模型，获取轮胎在凹坑路面接触状态下的轮辋中心点位移数据，同时构建反映轮胎实际受力特性的二维柔性环物理模型；

5、对所述二维柔性环物理模型的动力学方程进行降阶处理，将轮胎在凹坑路面接触状态下的复杂轮胎连续体变形问题转化为有限个低阶模态的振动问题并进行求解，得到能够表征轮胎整体变形规律的各阶模态振动响应坐标；

6、利用所述轮辋中心点位移数据和所述各阶模态振动响应坐标，结合模态正交特性进行轮辋中心映射，利用轮辋中心点的位移变化获取轮胎作用在轮辋上的纵向力与垂向力瞬态响应，实现凹坑路面下轮胎力学特性的快速估算。

7、进一步地，所述建立子午线轮胎高保真有限元基准模型的具体方法包括：

8、采用abaqus仿真软件建立205/55r16子午线轮胎高保真有限元模型，橡胶基体采用neo-hookean超弹性本构模型，其应变式能如下所示：

9、；

10、式中，是初始剪切模量；是材料不可压缩参数；是应变张量不变量；

11、采用隐式-显式顺序耦合求解策略，先通过隐式求解器进行轮胎充气与静态垂向加载预分析，通过状态导入技术映射至显式动力学分析，进行凹坑路面瞬态冲击仿真，获取轮辋中心位移场时间历程数据；通过平板式轮胎实验台进行准静态载荷-位移试验，与仿真结果对比验证模型精度。

12、进一步地，所述构建反映轮胎实际受力特性的二维柔性环物理模型的具体方法包括：

13、在轮辋中心点建立固定直角坐标系与随轮胎转动的旋转坐标系；将轮胎物理结构解耦为具有质量分布、弯曲刚度及周向预张力的弹性圆环，以及代表充气压力与胎侧支撑力的径向、切向分布弹簧阻尼系统；建立显含科里奥利力项及离心刚化效应项的弹性圆环动力学偏微分方程。

14、进一步地，所述对所述二维柔性环物理模型的动力学方程进行降阶处理的具体方法包括：

15、将柔性环的径向与切向位移场通过傅里叶级数进行空间离散，表达式如下：

16、；

17、；

18、式中，和为第n阶模态的广义坐标；为高阶模态量；为环上任意一点与旋转坐标系x*轴的夹角；

19、和分别为对应夹角为、时间为t时的切向形变与径向形变；

20、代入动力学方程并利用模态正交性，得到各阶模态坐标满足的二阶微分方程组，表达式如下：

21、；

22、采用伽辽金投影变换，将原物理空间的高维分布参数离散至正交模态子空间内，从而将上述模态演化方程等效映射为如下的广义坐标矩阵表达式：

23、；

24、，，，，，；

25、式中，为模态质量；为模态阻尼；为陀螺项；为模态刚度；为第一模态坐标；为第二模态坐标；为第一广义力；为第二广义力；

26、为模态质量矩阵；为陀螺矩阵；为模态阻尼矩阵；为模态刚度矩阵；q为广义模态力矢量；y为广义模态坐标矢量；

27、再转化为一阶状态空间方程，表达式如下：

28、；

29、其中，，，，；

30、式中，为系统状态矢量；为系统综合质量矩阵；为广义陀螺阻尼矩阵；为广义激励矢量；

31、引入一阶矩阵摄动理论，以无阻尼陀螺系统复特征解为基准，附加阻尼修正项求解各阶模态振动响应坐标。

32、进一步地，所述结合模态正交特性进行轮辋中心映射，利用轮辋中心点的位移变化获取轮胎作用在轮辋上的纵向力与垂向力瞬态响应的具体方法包括：

33、轮胎轮心处的纵向力与垂向力由侧壁弹簧阻尼系统圆周积分合力决定，将模态展开式代入合力积分方程，基于圆周三角函数正交性剔除高阶模态贡献项，仅保留一阶模态；由一阶模态坐标直接线性重构轮胎瞬态包络力；

34、进一步地，所述结合模态正交特性进行轮辋中心映射，利用轮辋中心点的位移变化获取轮胎作用在轮辋上的纵向力与垂向力瞬态响应的具体方法包括：

35、依据受力平衡建立侧壁弹簧阻尼系统在圆周上的定积分合力方程：

36、；

37、；

38、将模态展开式代入后，由三角函数正交性滤除所有非一阶高频模态，直接获得以一阶径向与切向模态坐标为主导的轮心力解析式，完成降阶力学映射：

39、；

40、；

41、式中，为轮胎纵向力；为轮心纵向位移；为bn的一阶模态坐标；为轮辋中性点转换质量；为轮心垂向位移；为轮胎垂向力；为an的一阶模态坐标；

42、一种基于简化柔性环模型的凹坑路面轮胎力学特性估算系统，用于执行如上任一项所述的基于简化柔性环模型的凹坑路面轮胎力学特性估算方法，包括建模模块、降阶求解模块和映射估算模块；

43、所述建模模块，用于建立子午线轮胎高保真有限元基准模型，获取轮胎在凹坑路面接触状态下的轮辋中心点位移数据，同时构建反映轮胎实际受力特性的二维柔性环物理模型；

44、所述降阶求解模块，用于对所述二维柔性环物理模型的动力学方程进行降阶处理，将轮胎在凹坑路面接触状态下的复杂轮胎连续体变形问题转化为有限个低阶模态的振动问题并进行求解，得到能够表征轮胎整体变形规律的各阶模态振动响应坐标；

45、所述映射估算模块，用于利用所述轮辋中心点位移数据和所述各阶模态振动响应坐标，结合模态正交特性进行轮辋中心映射，利用轮辋中心点的位移变化获取轮胎作用在轮辋上的纵向力与垂向力瞬态响应，实现凹坑路面下轮胎力学特性的快速估算。

46、一种电子设备，所述电子设备包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，所述处理器用于调用并运行所述存储器中存储的计算机程序执行如上任一项所述的方法。

47、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上的如上任一项所述方法的步骤。

48、相比于现有技术本发明具有如下有益效果：

49、本发明采用隐式-显式顺序耦合建立子午线轮胎有限元基准模型的技术特征，解决了实车试验环境干扰多、试验变量难以精准控制、受力真值获取困难的现有问题，能够排除外界噪声干扰，精准下压载荷、凹坑倾角等关键参数，获取高精度无噪声的轮辋中心位移与轮胎受力基准数据。

50、本发明构建二维柔性环物理模型，将轮胎解耦为具有质量分布、弯曲刚度及周向预张力的弹性圆环，以及代表充气压力与胎侧支撑力的径向、切向分布弹簧系统，解决了传统稳态轮胎模型忽略轮胎包络性、刚性环模型短波路面包络精度不足的问题，能够准确描述凹坑工况下轮胎的瞬态冲击响应特性。

51、本发明对柔性环动力学偏微分方程进行傅里叶级数模态展开，结合模态正交性将其转化为有限维常微分状态空间方程进行降阶求解，解决了完整柔性环偏微分方程组求解复杂、计算成本高昂的问题，大幅降低了计算量，实现了轮胎力学特性的快速解算。

52、本发明利用圆周三角函数的正交性，将各阶模态积分映射回轮辋中心，仅保留对轮心宏观合力有贡献的一阶模态，解决了传统方法依赖轮胎局部形变积分计算合力、计算繁琐耗时的问题，将复杂的面内畸变直接降维为轮辋中心点的宏观力学参数，彻底突破了机理保真度与计算耗时不可兼得的技术瓶颈。

53、本发明通过多组极端工况交叉仿真验证算法性能，解决了现有算法在非结构化路面工况下估算误差大的问题，对凹坑边缘产生的纵向与垂向瞬态冲击极值捕获精度达到92.3%以上，能够满足智能底盘域控制器对复杂路况的实时高频感知需求。