專利名稱：輪胎受力仿真方法及其系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及動力學仿真技術領域，尤其涉及一種輪胎受力仿真方法及其系統。
背景技術：
拖拉機作為動力機械，在農業上有著廣泛的應用。輪式拖拉機在整機結構的先進 性、使用的可靠性、轉彎的靈活性及作業的適用范圍等方面均優于履帶式拖拉機。尤其是輪 胎對路面破壞作用小這一點，使得輪式拖拉機成為在農業生產中普遍使用的動力機械。然而，因為拖拉機工作環境較為復雜，無論是道路運行還是田間作業都要受到各 種條件和環境的影響，尤其是土壤地面的特殊性和作業路況的復雜性，且輪胎與地面間存 在大量接觸碰撞，使得分析拖拉機在軟土路面上運動時的輪胎受力很困難，早期主要用純 數學建模方式對輪胎受力進行研究，很難建立準確的動力學模型。隨著地面力學以及多體動力學軟件的發展和完善，為研究輪式拖拉機在軟土路面 上運動時的輪胎受力仿真分析提供了理論與技術支持。

發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是提高輪胎受力分析的準確性。( 二 )技術方案為實現上述目的，本發明采用如下技術方案。一種輪胎受力仿真方法，該方法包括步驟Si.根據設定的結構參數，對仿真對象的選定零部件進行三維建模，建立其車身模 型及輪胎模型；S2.根據部件之間的相對運動關系，對模型添加約束、負載及驅動；S3.建立路面模型，設置輪胎的加載類型及輪胎與路面的接觸參數；S4.設置仿真步數、仿真時間，開始仿真并獲取輪胎的受力仿真數據。2、如權利要求1所述的輪胎受力仿真方法，其特征在于，步驟S4后進一步包括S5.若所述受力仿真數據符合設定要求，則結束仿真，否則，根據所述受力仿真數 據調整結構參數，返回執行步驟S2。其中，在步驟Sl中，選定零部件模型通過多體系統動力學仿真軟件RecurDyn建 立，其中，輪胎模型通過所述軟件的Soil Tire模塊建立。其中，在步驟Sl中，輪胎模型通過多體系統動力學仿真軟件RecurDyn的Soil Tire模塊建立，除輪胎外的選定零部件模型通過計算機輔助設計軟件建立后導入所述多體 系統動力學仿真軟件RecurDyn。其中，在步驟S3中，所述路面模型以及輪胎與路面的接觸參數通過多體系統動力 學仿真軟件RecurDyn建立和設置。一種輪胎受力仿真系統，其特征在于，該系統包括模型建立模塊，用于根據設定的結構參數，對仿真對象的選定零部件進行三維建模，建立其車身模型及輪胎模型；模型參數設置模塊，用于根據部件之間的相對運動關系，對模型添加約束、負載及驅動；路面模型 建立模塊，用于建立路面模型，設置輪胎的加載類型及輪胎與路面的接觸參數；仿真模塊， 設置仿真步數、仿真時間，開始仿真并獲取輪胎的受力仿真數據。其中，該系統還包括優化模塊，用于在所述受力仿真數據符合設定要求時，結束 仿真，否則，以所述受力仿真數據為參考，調整結構參數，輸入模型建立模塊。其中，模型建立模塊為多體系統動力學仿真軟件RecurDyn。其中，模型建立模塊進一步包括輪胎模型建立單元，用于建立輪胎模型，為多體 系統動力學仿真軟件RecurDyn的Soil Tire模塊；零部件模型建立單元，用于建立除輪胎 外的選定零部件模型并將其導入所述多體系統動力學仿真軟件RecurDyn，為三維建模軟件 入。其中，路面模型建立模塊為多體系統動力學仿真軟件RecurDyn。(三)有益效果本發明的方法及系統，采用多體動力學仿真軟件RecurDyn實現輪式拖拉機在軟 路面上運動時輪胎與路面相互作用過程的仿真分析，獲得輪胎的變形、縱向速度、滑轉率、 垂直負載、運動阻力、牽引力和輪胎扭矩等受力仿真數據，可以和實際試驗結合，用于確定 輪胎在不同土壤類型下的牽引性能、結構參數(輪胎寬度、輪胎直徑等)和使用參數(行駛 速度、滑轉率等)之間的關系，在此基礎上為仿真對象的整機結構優化分析設計和不同土 壤類型下驅動輪的設計提供幫助。采用計算機仿真技術能有效減少實際試驗的次數，加快 產品開發進度，降低開發成本，提高產品的性能。


圖1為依照本發明一種實施方式的輪胎受力仿真方法流程圖；圖2為實施例的輪胎受力仿真方法流程圖。
具體實施例方式本發明提出的輪胎受力仿真方法及其系統，結合附圖和實施例詳細說明如下。如圖1所示，為依照本發明本發明一種實施方式的輪胎受力仿真方法流程圖，該 方法包括步驟Si.根據設定的結構參數，對仿真對象的主要零部件進行三維建模，建立其車身模 型及輪胎模型；其中，輪胎模型通過RecurDyn軟件的Soil Tire模塊建立，其他選定零部件模 型通過RecurDyn建立，也可以采用Pro/E、UG、Soildworks等專用的計算機輔助設計軟件 (Computer AidedDesign, CAD)進行建模，然后通過RecurDyn提供的接口導入到RecurDyn
中使用。RecurDyn (Recursive Dynamic)是由韓國 FunctionBay 公司開發出的新一代多體 系統動力學仿真軟件，其Soil Tire模塊是基于Bekker壓力-沉陷理論來實現的。S2.根據仿真分析的要求，對仿真對象的主要零部件進行處理，根據部件之間的相 對運動關系，對模型添加約束、負載，完成仿真模型的建立，然后添加驅動，對結構進行初步的運動仿真，觀察結果是否與實際相符，可以根據需要，進一步優化模型的結構，如增加摩擦、定義柔性體等；S3.建立路面模型，根據實際需要設置輪胎的加載類型及輪胎與路面的接觸參數， 通過這些參數的設置實現不同土壤類型下的輪胎受力仿真；利用RecurDyn提供的Ground模塊，根據需要采用Outline Road(折線建模)、 Spline Road(樣條曲線建模)或Face Road(面建模)等方式建立不同的路面模型。 RecurDyn軟件本身提供了一些常用的路面模型，也可以采用第三方軟件建立.rdf格式的 路面模型文件，再通過Import Road的方式導入RecurDyn中使用。根據實際需要，可設 置輪胎的加載類型為Rigid Wheel (剛性輪胎)、Elastic Wheel (彈性輪胎)、Parabolic Approach (拋物線逼近)、Rigid Wheel With Soil Dynamics (基于土壤動力學的剛性輪胎) 或Elastic Wheel With Soil Dynamics (基于土壤動力學的彈性輪胎)，并設置輪胎與路面 的接觸參數。S4.設置仿真步數、仿真時間，開始仿真并獲取輪胎的受力仿真數據，包括輪胎的 變形、縱向速度、滑轉率、垂直負載、運動阻力、牽引力和輪胎扭矩等受力仿真數據。RecurDyn提供了不同類型的函數來構造表達式。設置仿真步數和仿真時間，然后 開始仿真。仿真結束后，可以獲得輪胎的變形、縱向速度、滑轉率、垂直負載、運動阻力、牽引 力和輪胎扭矩等受力仿真數據。此外，步驟S4后還可進一步包括S5.若受力仿真數據符合設定要求，則結束仿真，否則，根據受力仿真數據調整結 構參數，返回執行步驟S2。本發明還提供了一種輪胎受力仿真系統，該系統包括模型建立模塊，用于根據設 定的結構參數，對仿真對象的選定零部件進行三維建模，建立其車身模型及輪胎模型；模型 參數設置模塊，用于根據部件之間的相對運動關系，對模型添加約束、負載及驅動；路面模 型建立模塊，用于建立路面模型，設置輪胎的加載類型及輪胎與路面的接觸參數；仿真模 塊，設置仿真步數、仿真時間，開始仿真并獲取輪胎的受力仿真數據；優化模塊，用于在受力 仿真數據符合設定要求時，結束仿真，否則，以所述受力仿真數據為參考，調整結構參數，輸 入模型建立模塊。其中，模型建立模塊為多體系統動力學仿真軟件RecurDyn，模型建立模塊還可進 一步包括輪胎模型建立單元，用于建立輪胎模型，為多體系統動力學仿真軟件RecurDyn 的Soil Tire模塊；零部件模型建立單元，用于建立除輪胎外的選定零部件模型并將其導 入所述多體系統動力學仿真軟件RecurDyn，為三維建模軟件入。路面模型建立模塊為多體 系統動力學仿真軟件RecurDyn。實施例如圖2所示，為本實施例的輪胎受力仿真方法流程圖，以輪式拖拉機為仿真對象， 對其在軟土路面上運動時輪胎受力進行仿真，該方法包括步驟首先，啟動RecurDyn，建立簡化的輪式拖拉機模型，也可采用Pro/E、UG、 Soildworks等專用的CAD軟件進行三維建模，然后通過RecurDyn提供的接口導入到 RecurDyn中使用。只建立輪式拖拉機的四個輪胎、前軸、后軸和車架模型，設置前后輪輪距 和前后軸軸距，并在前軸和后軸上施加合理的車體質量，保證車體質量和轉動慣量與實際一致。四個輪胎利用RecurDyn的Soil Tire輪胎模塊建立。其次，為三維模型添加運動、約束和驅動。車架是建立拖拉機仿真模型的基本實體，并通過固定約束與前后軸連接。輪胎通過旋轉副與前后軸連接在一起，通過定義輪胎的 旋轉速度來實現拖拉機的運動。為防止啟動時速度有突變，在輪胎轉動中心的旋轉副處施 力口 step函數一5Xstep(time，0，0，0. 1，1)，即輪胎轉速在0. 1秒內從0平穩逼近到5rad/
So然后，利用RecurDyn軟件的Ground模塊所提供的Outline Road(折線建模)方 式，建立水平路面，也可以采用第三方軟件建立.rdf格式的路面模型文件，再通過Import Road的方式導入RecurDyn中使用。定義輪胎與路面的接觸參數，每個Soil Tire輪胎可 以有其自己的路面和路面參數，根據輪胎與土壤的接觸類型將輪胎加載模型設置為Rigid Wheel With Soil Dynamics (基于土壤動力學的剛性輪胎)；然后定義輪胎寬度、輪胎直徑、 內聚的土壤剛度、內摩擦的土壤剛度、土壤變形指數、內聚力、剪切阻力角、剪切變形模量、 沉陷率等參數。最后，設置仿真步數為500步和仿真時間為4秒，開始仿真。仿真結束后，獲得相 應的受力仿真數據，并以動畫、表格、曲線的形式輸出，實現對輪胎受力的分析。驗證仿真分析結果是否與試驗結果一致，若不一致則重新修改輪胎模型參數和輪 胎與路面的接觸參數，重復上述仿真過程，直至仿真結果與試驗結果一致后，進行輪式拖拉 機系統的優化仿真分析。本實施例的方法通過對輪式拖拉機輪胎在軟土路面上受力的仿真分析，確定輪胎 在不同土壤類型下的牽引性能、結構參數(輪胎寬度、輪胎直徑等)和使用參數(行駛速 度、滑轉率等)之間的關系，在此基礎上為輪式拖拉機的整機結構優化分析設計和不同土 壤類型下驅動輪的設計提供幫助。利用仿真分析技術實現虛擬試驗，以代替實際試驗，實現 了試驗不受場地、時間和次數的限制，可對試驗過程進行回放、再現和重復，對產品性能進 行預測，可以大幅度減少實際試驗次數，縮短新產品試驗周期，同時降低實際試驗費用。對 保證輪式拖拉機的質量、壽命、性能、成本等方面發揮著重要作用，具有良好的經濟、社會、 環境效益。以上實施方式僅用于說明本發明，而并非對本發明的限制，有關技術領域的普通 技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術方案也屬于本發明的范疇，本發明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
一種輪胎受力仿真方法，該方法包括步驟S1.根據設定的結構參數，對仿真對象的選定零部件進行三維建模，建立其車身模型及輪胎模型；S2.根據部件之間的相對運動關系，對模型添加約束、負載及驅動；S3.建立路面模型，設置輪胎的加載類型及輪胎與路面的接觸參數；S4.設置仿真步數、仿真時間，開始仿真并獲取輪胎的受力仿真數據。
2.如權利要求1所述的輪胎受力仿真方法，其特征在于，步驟S4后進一步包括55.若所述受力仿真數據符合設定要求，則結束仿真，否則，根據所述受力仿真數據調 整結構參數，返回執行步驟S2。
3.如權利要求1所述的輪胎受力仿真方法，其特征在于，在步驟Sl中，選定零部件模 型通過多體系統動力學仿真軟件RecurDyn建立，其中，輪胎模型通過所述軟件的SoilTire 模塊建立。
4.如權利要求1所述的輪胎受力仿真方法，其特征在于，在步驟Sl中，輪胎模型通過多 體系統動力學仿真軟件RecurDyn的SoilTire模塊建立，除輪胎外的選定零部件模型通過 計算機輔助設計軟件建立后導入所述多體系統動力學仿真軟件RecurDyn。
5.如權利要求1所述的輪胎受力仿真方法，其特征在于，在步驟S3中，所述路面模型以 及輪胎與路面的接觸參數通過多體系統動力學仿真軟件RecurDyn建立和設置。
6.一種輪胎受力仿真系統，其特征在于，該系統包括模型建立模塊，用于根據設定的結構參數，對仿真對象的選定零部件進行三維建模，建 立其車身模型及輪胎模型；模型參數設置模塊，用于根據部件之間的相對運動關系，對模型添加約束、負載及驅動；路面模型建立模塊，用于建立路面模型，設置輪胎的加載類型及輪胎與路面的接觸參數；仿真模塊，設置仿真步數、仿真時間，開始仿真并獲取輪胎的受力仿真數據。
7.如權利要求6所述的輪胎受力仿真系統，其特征在于，該系統還包括優化模塊，用于在所述受力仿真數據符合設定要求時，結束仿真，否則，以所述受力仿 真數據為參考，調整結構參數，輸入模型建立模塊。
8.如權利要求6所述的輪胎受力仿真系統，其特征在于，模型建立模塊為多體系統動 力學仿真軟件RecurDyn。
9.如權利要求6所述的輪胎受力仿真系統，其特征在于，模型建立模塊進一步包括 輪胎模型建立單元，用于建立輪胎模型，為多體系統動力學仿真軟件RecurDyn的SoilTire模塊；零部件模型建立單元，用于建立除輪胎外的選定零部件模型并將其導入所述多體系統 動力學仿真軟件RecurDyn，為三維建模軟件入。
10.如權利要求6所述的輪胎受力仿真系統，其特征在于，路面模型建立模塊為多體系 統動力學仿真軟件RecurDyn。
全文摘要
本發明涉及一種輪胎受力仿真方法及其系統，該方法包括步驟根據設定的結構參數，對仿真對象的選定零部件進行三維建模，建立其車身模型及輪胎模型；根據部件之間的相對運動關系，對模型添加約束、負載及驅動；建立路面模型，設置輪胎的加載類型及輪胎與路面的接觸參數；設置仿真步數、仿真時間，開始仿真并獲取輪胎的受力仿真數據。本發明的方法及系統采用計算機仿真技術能有效減少實際試驗的次數，加快產品開發進度，降低開發成本，提高產品的性能。
文檔編號G06F17/50GK101840449SQ20101014740
公開日2010年9月22日 申請日期2010年4月13日 優先權日2010年4月13日
發明者張瑞瑞, 徐飛軍, 王秀, 趙春江, 陳立平, 黃文倩 申請人:北京農業信息技術研究中心