基于脉冲试验获取工程机械轮胎垂向特性参数的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于脉冲试验获取工程机械轮胎垂向特性参数的方法，特别是指 一种基于脉冲试验获取工程机械轮胎垂向刚度阻尼参数的方法;属于汽车设计领域。
【背景技术】
[0002] 轮胎作为车辆与路面接触的唯一载体，不仅承载着车身重量，而且作为车辆的第 一级减振系统，缓冲和衰减在行驶过程中来自路面的冲击和振动，其力学特性是车辆动力 学分析和研究的基础。超大型轮胎因其承载量大，能有效提升运输效率，被广泛应用于大吨 位矿用自卸车、轮式装载机等大型工程车辆。其结构组分类似于轿车轮胎，由多种材料复合 压制而成，主要包括胎体帘布层、带束层、钢丝圈和橡胶层。其主要力学性能有:在很大程度 上决定并影响车辆的驱动性能和制动安全性的轮胎纵滑特性;决定车辆的转向操纵和方向 稳定性的轮胎侧偏特性;对车辆的NVH(噪声、振动、平顺性)特性具有重要影响的轮胎垂向 刚度阻尼特性;影响车辆燃油经济性的轮胎滚动阻力特性等。因而，构建合理而准确的轮胎 力学模型，对于提高整车动力学仿真精度，进行与轮胎相关的车辆动力学开发，具有重要意 义。国内外专家学者在这方面进行了大量的研究工作，构建了形式多样的轮胎理论模型或 经验半经验模型，这些模型可以在一定程度上同时描述轮胎的多方面力学特性而被广泛应 用。理论模型是在轮胎物理模型进行合理简化的基础上，构建数学模型以对轮胎力学特性 加以描述。具有代表性的有:Fiala轮胎模型、Pacejka弦模型和Ftire轮胎模型等。理论模 型通用性强，求解精度高，能准确反映出轮胎模型各参数对轮胎力学性能的影响，但缺点是 模型表达式繁琐，用于车辆动力学仿真时的计算效率偏低。经验模型是在大量轮胎力学特 性试验数据的基础上，构建相关数学模型来表达轮胎的动力学特性，如魔术公式(Magic formula)轮胎模型、MF-Tyre模型和Swift轮胎模型等。经验模型的优点在于结构较为简单， 运算较快，但缺点是对试验结果的依赖性较大。半经验模型则是介于理论模型和经验模型 之间的一种模型，如统一(UniTire)轮胎模型。除此之外，也有直接通过台架试验(一般为德 国SCHENCK公司制造)获取轮胎垂向刚度阻尼参数的。但是，通过这些模型来描述轮胎动力 学特性的普遍问题是，模型参数的物理意义不够明确，不能直接跟轮胎本身的结构特点和 材料参数联系起来；同时它们都依赖于大量的有针对性的试验数据，而且这些试验设备一 般只能针对轮胎直径在1.5米以内的乘用车轮胎开展动力学试验，试验设备能够提供的试 验载荷不超过1吨。
[0003] 超大型轮胎体型巨大，单胎承载量接近100吨，最大直径接近4米，一般为无内胎式 轮胎。目前除了法国米其林轮胎公司和日本普利司通轮胎公司等几家国外大型轮胎公司能 够为相关特种车辆提供超大型轮胎的试验设备外，我国尤其对于整车厂家来说几乎没有相 关的试验条件来开展超大型轮胎的力学特性测试，而轮胎生产厂家又不愿意公开相关的试 验数据。
[0004] 尽管随着虚拟样机技术的兴起，CAE技术被引入轮胎力学特性的研究，采用有限元 法对轮胎进行力学特性分析已成为近年来轮胎领域的研究热点。但是这些分析也主要集中 在小型轿车轮胎本身的结构强度分析，很少有涉及汽车设计过程中所关心的轮胎刚度阻尼 特性获取问题的研究。由于轮胎结构、材料性质、载荷及变形的复杂性和特殊性，超大型轮 胎的力学性能分析一直是十分困难的工作，现有分析方法显得无能为力，几乎没有相关文 献对其力学特性分析所需的理论或试验方法进行公开报道。目前国内以大吨位电动轮自卸 车为代表的大型工程车辆正处于由国外垄断进入规模国产化的阶段，在产品设计过程中， 作为与地面唯一接触的部件，超大型轮胎的力学特性直接影响整车的动力学特性，是整车 开发设计的基础和关键。然而，现实情况是因为没有轮胎生产厂家提供的力学特性参数，开 发者在设计过程中往往不得不对其做大量简化，或者在分析计算中直接避开实际的轮胎模 型，仅凭借经验取值。结果是整车厂家很难确认开发设计过程中的计算精度，甚至导致很大 的误差，严重制约了产品开发的可靠度，和类似大型工程车辆国产化的进程。因此，针对诸 如车辆NVH性能等特定的设计目标，谋求超大型轮胎相关力学特性参数获取的新方法，推进 企业掌握产品开发过程中的核心技术，推动国产化进程，就显得尤为重要。
【发明内容】
[0005] 为解决上述问题，本发明提出一种基于脉冲试验获取工程机械轮胎垂向特性参数 的方法。
[0006] 本发明提出的基于脉冲试验获取工程机械轮胎垂向特性参数的方法;首先建立轮 胎-路面耦合三维有限元模型，并开展脉冲工况虚拟动力学仿真，获得多组估计材料参数下 对应的轮胎中心点垂向加速度;其次，建立基于单隐含层的BP神经网络参数辨识方法，并利 用仿真试验数据对其进行训练;然后，通过将实车道路脉冲试验获得的轮胎中心点垂向加 速度带入训练好的神经网络，辨识出轮胎各组分的材料参数;最后，通过基于虚拟试验台的 垂向静态加载试验和自由振动衰减试验获得超大型轮胎的垂向刚度阻尼参数。
[0007] 本发明基于脉冲试验获取工程机械轮胎垂向特性参数的方法，包括下述步骤：
[0008] 步骤一、建立轮胎-路面耦合三维有限元模型
[0009] 首先，根据设计的轮胎尺寸数据绘制轮胎CAD截面轮廓图，按构成轮胎材料性质不 同，将轮胎CAD截面轮廓图划分为钢丝圈、帘布层、带束层、橡胶层四个部分，在所述四个部 分中，按l-5mm为边长，分别在每一个部分中划分四边形网格;将轮胎CAD截面轮廓图绕轮胎 中心轴旋转360°，得到按材料性质分区的轮胎三维有限元模型；不同性质材料区域之间按 粘连方式建立接触；
[0010]其次，以实车连接杆系对轮胎的约束为边界条件，对轮胎三维有限元模型进行约 束，得到连接杆系约束的轮胎三维有限元模型；
[0011]最后，以实车运行时路面对轮胎的约束作为边界条件，对连接杆系约束的轮胎三 维有限元模型进行约束，得到轮胎-路面耦合三维有限元模型；
[0012] 步骤二、脉冲工况虚拟试验仿真
[0013] 在步骤一得到的轮胎-路面耦合三维有限元模型中设置三角形脉冲块，得到包含 脉冲块的轮胎-路面耦合三维有限元模型;三角形脉冲块高度尺寸h为：
[0014] d/15 < h < d/12，d为轮胎直径;三角形脉冲块的宽度2轮胎宽度。
[0015] 根据构成轮胎的钢丝圈、帘布层、带束层、橡胶层的泊松比、弹性模量的经验数据， 分别确定钢丝圈、帘布层、带束层、橡胶层的泊松比、弹性模量的基准数；
[0016]在钢丝圈、帘布层、带束层、橡胶层的泊松比、弹性模量的基准数的±10-20%范围 内，采用优化拉丁超立方抽样方法选取至少40组钢丝圈、帘布层、带束层、橡胶层的泊松比、 弹性模量的数值，作为脉冲工况虚拟试验仿真的输入参数;将每一组脉冲工况虚拟试验仿 真的输入参数代入包含三角形脉冲块的轮胎-路面耦合三维有限元模型中，以运行速度V 进行脉冲工况虚拟试验仿真，得到至少40条轮胎中心点垂向加速度曲线;运行速度V取值范 围为 20-60Km/h;
[0017] 步骤三、神经网络训练
[0018]选择神经网络的类型为BP网络，包含一个输入层，输入层节点数为n，一个隐含层， 隐含层节点数为10,一个输出层，输出层节点数为8;输入层的η个节点分别代表η个加速度 值，输出层的8个节点分别代表轮胎有限元模型中钢丝圈、帘布层、带束层、橡胶层的泊松比 和弹性模量;输入层到隐含层的传递函数为双曲正切(tansig)函数，隐含层到输出层的传 递函数为非线性(sigmoid)传递函数；
[0019] 选择步骤二得到的轮胎中心点垂向加速度曲线中的至少35条曲线，对所选的每一 条曲线的脉冲响应段的加速度曲线段进行η等分，得到至少35组脉冲响应段内轮胎中心点η 个垂向加速度值，将每组η个垂向加速度值作为BP网络的输入样本，BP网络运行后，得到网 络输出值；
[0020] 对BP网络进行反复训练；
[0021] 当BP网络的输出值与相应垂向加速度曲线对应的脉冲虚拟试验仿真轮胎有限元 模型的钢丝圈、帘布层、带束层、橡胶层的泊松比和弹性模量的输入值之间的误差<0.5-1%时，完成神经网络训练;得到训练好的神经网络；
[0022]步骤四、获取轮胎材料参数
[0023]对实际车辆按运行速度V进行脉冲试验，得到轮胎中心垂向加速度曲线;然后，将 获得的轮胎中心垂向加速度曲线中脉冲响应段的加速度曲线段进行η等分，得到脉冲响应 段内轮胎中心点η个垂向加速度值，将η个垂向加速度值作为ΒΡ网络的输入参数，代入步骤 三训练好的ΒΡ神经网络中，网络的输出值即为实际轮胎中钢丝圈、帘布层、带束层、橡胶层 的泊松比、弹性模量值；
[0024]步骤五、建立虚拟仿真试验台
[0025] 首先，将步骤四得到的实际轮胎中钢丝圈、帘布