基于Abaqus的輪胎/路面噪聲有限元模擬分析

袁超揚,郭秀林,李 毅

(1.欽州市交通建設發展中心,廣西 欽州 535000;2.廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

在交通行業快速發展的同時,隨之而來的交通噪聲已成為一個嚴重的環境問題。據相關資料表明,交通噪聲約占城市噪聲的70%,其主要由輪胎與路面相互作用產生的噪聲、結構振動噪聲、空氣動力噪聲和排氣系統噪聲等4個部分組成。已有研究指出,對于正常保養和維護的汽車,當車速>50 kph時,交通噪聲的主要來源為輪胎/路面相互作用產生的噪聲[1-2]。車輛行駛速度越快,輪胎/路面噪聲在交通噪聲中所占的比例也越大。另外,車輛在勻速行駛狀態下的輪胎/路面噪聲占車輛行駛總噪聲比例要比處于加速行駛狀態下的大[3]。因此,如何降低輪胎/路面噪聲越來越受到各國學者的關注。

由于現場鋪筑試驗路段來測量輪胎/路面噪聲需要耗費大量的時間與人力,而計算機技術的快速發展,越來越多的輪胎/路面噪聲分析采用有限元模擬的方法[4-7]。基于此,本文結合現有研究成果,構建基于真實路面數據的二維輪胎/路面滾動模型,得到在路表激勵下輪胎中心的豎向位移,并將其施加到三維有限元模型中進行輪胎/路面噪聲水平的模擬。

1 二維輪胎/路面模型與路表激勵提取

1.1 表面高程數據獲取與處理

為了能夠真實準確地構建不同路面模型,本文采用高精度激光掃描儀掃描瀝青車轍板試件表面構造,獲取路面表面構造高程點云矩陣數據。通過對上述高程點云數據依次進行端頭誤差消除、無效點消除、去斜與歸零,即可得到可用的瀝青路面表面高程點數據。

1.2 二維輪胎/路面滾動模型的建立

1.2.1 二維路面模型

將二維數據點生成彼此相連的輪廓線,導入Abaqus軟件中,設置路面尺寸以及適當的材料參數即可生成帶表面構造的二維路面模型。其中,路面長度為3.396 4 m,前1 m為光滑的直線段,主要用于輪胎加速,后一段為輪胎勻速行駛段,輪心的豎向位移將從勻速段提取。瀝青路面結構層厚度以及材料參數設置如表1所示。

表1 不同瀝青路面的結構層厚度及材料參數表

1.2.2 二維輪胎模型

輪胎由橡膠材料構成,而橡膠材料屬于典型的超彈性材料,在有限元軟件中有多種超彈性材料本構模型可用于模擬橡膠輪胎,其中最常用的是Yeoh模型,因為Yeoh模型的可描述變形范圍較寬,擬合精度高。因此本文將采用Yeoh模型對橡膠輪胎進行模擬,模型參數如表2所示。輪胎模型中輪胎的外徑設置為21 cm,內徑設置為19 cm,輪轂的外徑設置為19 cm,內徑為12 cm,輪胎密度設置為1 100 kg/m3。

表2 Yeoh本構模型表征參數表

1.3 路表激勵模擬與提取

輪胎與路面模型分別建立后需將二者耦合起來,并設置接觸條件和荷載。對路面模型底部設置3個方向上的約束,即路面底部將不會發生任何形變,同時限制路面模型側面在x軸和y軸兩個方向上的橫向位移。路面模型與輪胎模型的接觸關系通過Interaction模塊來定義,二者接觸面的摩擦系數采用固定值,設置為0.5。輪胎模型還受到胎壓和路面的作用,因此本文中輪胎模型的胎壓設置為0.4 MPa,受到的路面法向作用力設置為2 kN。輪胎模型的行駛速度通過Load模塊中的邊界條件來設置。建好的二維輪胎/路面滾動模型如圖1所示。本文將提取輪心在不同滾動速度和不同路面類型下的豎向位移作為三維輪胎/路面噪聲模型的輸入條件。

圖1 二維輪胎/路面滾動模型圖

1.4 輪心振動位移分析

本文利用掃描真實試件得到的表面輪廓數據構建了AC、SMA和OGFC 3種二維路面,分別設定輪胎在路面上的滾動速度為53.3 rad/s、80 rad/s、106.7 rad/s,即分別對應40 km/h、60 km/h和80 km/h。經過計算3種速度下輪胎在路面紋理段上滾動時間依次為0.2 s、0.14 s和0.1 s,運行結束后提取該段時間內輪胎中心的豎向位移,結果分別如圖2、圖3和表3所示。

(a)AC路面

表3 不同路面類型與不同運行速度下輪心豎向位移數值表(mm)

從輪胎的豎向位移圖可以看出,所有位移曲線都呈現一定的周期規律性,但在不同路面類型和不同滾動速度下位移曲線的振幅和周期大小是不同的。由圖2可知,輪胎在AC路面上滾動時產生的豎向位移最小,而OGFC路面最大,SMA路面居中。這主要是因為OGFC路面的表面構造和表面孔隙是最大的,因此輪胎在OGFC上滾動時受到路面的振動激勵也是最大的,而AC路面相對于OGFC和SMA路面,表面構造和表面孔隙相對較小,表面相對平坦,從而受到的振動激勵也最小。由圖3可以看出,不同速度下輪心的豎向振動位移也是不同的,速度越大,豎向位移曲線的振幅越大,而且周期越小。該結論與相關文獻[8]的研究結果相吻合。

2 三維輪胎/路面噪聲模型的建立

由輪胎/路面噪聲的產生機理可知,車輛在路面上行駛時,輪胎會受到路面的撞擊作用而產生振動,這種振動會引起空氣的流動,從而產生振動噪聲。另一方面,路面空隙里的空氣不斷被吸入和擠出,從而產生空氣泵吸噪聲,即輪胎/路面噪音的產生涉及3個物體:空氣、輪胎和路面結構。因此,本文運用Abaqus軟件分別構建輪胎、路面和空氣3種模型,再將三者耦合起來構成三維輪胎/路面噪聲模型。

2.1 輪胎有限元模型

汽車輪胎的材料成分和力學特性復雜多樣,若要建立與實際情況一樣的有限元輪胎模型比較困難,非常耗時且結果不易收斂。因此,為了同時考慮兩種噪聲的產生機理及降低輪胎建模的困難程度并簡化計算過程,本文對輪胎模型作了一定的簡化處理,輪胎模型僅由胎面、胎肩、胎側、花紋溝槽以及輪轂等主要部分構成。輪胎與輪轂的尺寸與二維模型相同,輪胎花紋溝槽的尺寸設置為3 mm×1.5 mm×0.5 mm(長×寬×深)。三維輪胎有限元模型如圖4所示。

圖4 帶溝槽的三維輪胎模型圖

2.2 路面有限元模型

路面對噪聲的影響主要體現在路面的表面構造和孔隙率上,路面表面構造主要影響振動噪聲,路面的孔隙率主要影響空氣泵吸噪聲。本文通過對輪胎施加豎向位移曲線來模擬輪胎/路面噪聲,豎向位移曲線通過二維輪胎/路面滾動模型獲得,相應的位移值對應輪胎的振動幅度,即模擬表面構造對輪胎振動噪聲的影響。同時,在路面上設置上下連通的孔隙,從而可以有效地模擬空氣泵吸噪聲。由于路面結構的中面層、下面層、基層及土基對噪聲的影響不大,所以構建的路面模型尺寸為500 mm×300 mm×50 mm,路面空隙根據換算等效成一定直徑的小圓孔。路面材料參數如表1所示。三維路面模型如圖5所示。

圖5 帶空隙的三維瀝青路面模型圖

2.3 空氣有限元模型

空氣是無限的,聲音的傳播也是無限的,而在Abaqus軟件中任意模型的長度、寬度和高度都是有限的。因此,本文對空氣模型的前后左右以及上邊界施加*Non reflecting的邊界條件來模擬無限的空氣單元。根據輪胎和路面模型的尺寸,使其與空氣模型能在空間位置上對應起來,先構建一個500 mm×300 mm×600 mm的長方體空氣單元,再在空氣單元中預留一塊與輪胎尺寸相同的地方,用于放置輪胎模型。空氣模型的密度設置為1.2 kg/m3,體積模量為142 000 Pa,單元類型設置為Acoustic(聲學單元)。

2.4 “輪胎-路面-空氣”耦合噪聲模型

2.4.1 接觸關系

“輪胎-路面-空氣”耦合模型對應三種接觸關系:輪胎胎面與路面上邊界接觸、輪胎胎面與空氣模型內邊界接觸、路面上邊界與空氣模型下邊界接觸,這些接觸關系通過接觸模塊設置。將空氣模型的前后左右以及上邊界的聲學阻抗設置為完全吸收不反射。而輪胎與路面為實體,聲音在傳播過程中碰到會產生一定的阻抗,因此在定義空氣模型的內表面與下邊界時需要設置聲學阻抗值。聲學阻抗值一般都是以復數的形式表示。本文采用的聲學阻抗值為1.28E-8+2E-5,不考慮空氣的吸聲作用,將空氣模型的接觸屬性設置為全反射,輪胎與路面的接觸關系通過固定的摩擦系數值來設置。

2.4.2 荷載及邊界條件

在該三維噪聲模型中,輪胎模型的胎壓設置為0.4 MPa,集中力設置為2 kN,與二維模型保持一致。通過對路面模型施加約束,限制其在x、y、z這3個方向上產生位移與轉角。而輪胎在路面上滾動時將發生平移運動和旋轉運動,從而產生3個方向的位移,振動噪聲主要是由輪胎的豎向位移引起的,而橫向和縱向位移產生的噪聲可忽略不計。通過分別施加時間域和頻域下的位移即可得到時間域和頻域下的輪胎/路面噪聲水平。構建完成的三維“輪胎-路面-空氣”耦合模型如圖6所示。

圖6 三維輪胎/路面噪聲模型圖

3 有限元模擬噪聲分析

通過輸入不同路面激勵下的輪心豎向振動位移和調整不同路面模型的孔隙率,模擬得到不同瀝青路面及不同運行速度下的噪聲。聲音首先是在輪胎邊緣處產生的,然后聲壓以近似于半圓形的形狀向外傳播擴散,這主要是因為輪胎的滾動和豎向振動會擾動周圍的空氣從而產生聲壓。另外,輪胎與路面接觸的地方以及輪胎前后緣處的聲壓較大,越往上聲壓逐漸減小。

為了保證結果的準確性,在不同條件下均進行了3次平行試驗,然后提取空氣模型右側邊上距離底部10 cm節點處的聲壓曲線,將所得聲壓值換算成聲壓級并繪制噪聲聲壓級曲線圖,結果分別如圖7～9和表4所示。

圖7 40 km/h速度下3種路面噪聲聲壓級曲線圖

圖8 60 km/h速度下3種路面噪聲聲壓級曲線圖

圖9 80 km/h速度下3種路面噪聲聲壓級曲線圖

表4 不同路面類型模擬噪聲聲壓級數值匯總表[dB(A)]

由圖7～9和表4的聲壓級圖及匯總表可以得知,AC路面的模擬噪聲最大,SMA路面次之,而OGFC路面的噪聲值最小。雖然OGFC路面的不平整度最大,對輪胎的振動激勵也最大,但同時其孔隙率也是最大的,其內部連通的空隙吸收了大部分聲能,所以OGFC路面總的噪聲最小。AC路面的輪心振動位移最小,同時其內部連通孔隙也最少,所產生的聲能很少被耗散掉。SMA路面的孔隙率略小于AC路面,但因其具有豐富的表面構造與較高的阻尼特性,所以其噪聲水平也比AC路面低。隨著速度的增大,3種路面類型的聲壓級也逐漸增大。值得注意的是,輪胎滾動速度越大,OGFC路面與SMA和AC路面噪聲水平差距越小。

4 結語

本文主要是利用Abaqus有限元軟件模擬輪胎/路面噪聲,以在二維輪胎/路面模型中模擬得到的輪心振動位移作為輸入條件施加到三維噪聲模型中,對不同路面結構與不同滾動速度下的噪聲水平進行模擬。主要結論如下:

(1)輪心振動位移曲線都呈現一定的周期規律性,且周期大小有略微差異。由于OGFC路面粗集料的比例最高,集料的粒徑最大,所以OGFC路面振動位移最大,同理,AC路面最為平整密實,其振動位移最小,SMA路面居中。隨著滾動速度增大,豎向位移曲線的振幅也隨之增大,而周期減小。

(2)由噪聲模擬得知,聲音首先在輪胎邊緣處產生,然后聲壓以近似于半圓形的形狀向外傳播擴散。另外,輪胎與路面接觸的地方以及輪胎前后緣處的聲壓較大,越往上聲壓越小。

(3)通過有限元模型模擬得到的輪胎/路面噪聲隨路面類型和輪胎滾動速度變化的規律與相關文獻實測的噪聲變化規律是一致的,說明通過有限元軟件模擬輪胎/路面噪聲是可行的,并且本文構建的有限元模型是合理的。

(4)輪胎/路面噪聲模型可以通過縮放輪胎模式形狀來進行校準與驗證,值得注意的是,一組縮放常數僅對特定的輪胎和路面紋理深度范圍有效,如果輪胎特性或路面性能發生變化,則應該重新校準模型。