CN111651836A - 基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法和存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法和存储介质，首先在多体动力学分析软件Adams中搭建具有调节轮胎安装姿态、控制轮胎运动功能的虚拟轮胎试验台架；其次根据轮胎属性文件和验证工况的需求，创建需要使用的虚拟路面模型；然后根据试验数据创建能够复现试验工况的仿真脚本，驱动虚拟试验台架进行仿真；最后通过计算仿真结果和试验数据之间的和方差SSE以及均方根误差RMSE等统计量，获得轮胎模型精度的量化指标。本发明可以检查轮胎模型在各种试验工况下的拟合精度，提升整车仿真分析人员对所使用的轮胎模型精度的把控，避免轮胎模型精度不足对整车仿真造成影响。本发明能够通过仿真的手段预报轮胎模型在非试验工况下的力学响应。

Description

基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法和存储介质
技术领域
本发明涉及轮胎CAE(Computer Aided Engineering)仿真，具体涉及一种基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法和存储介质。
背景技术
随着整车开发降低成本，缩短周期的要求不断提升，虚拟试验场CAE仿真分析技术已逐步取代传统实车试验作为性能分析的有效手段。在通常的操稳性，平顺性，耐久性等分析中，由轮胎传递至车身的地面激励占据着主导作用。轮胎的稳态特性与车辆的操稳性能密切相关；轮胎的瞬态特性是影响平顺性的关键因素；而轮胎的动态特性则展现了轮胎在滚过障碍物时的受力变化，影响到车辆各子***中受力构件的疲劳寿命。
在汽车行业，测定轮胎各项性能的物理试验一般由具备相关硬件设备的橡胶制品测试供应商完成；而轮胎模型的拟合则可以根据需要由整车厂自行完成，或者委托相关供应商完成。轮胎模型的拟合工作主要涉及到对各个模型参数进行辨识，其实质是一个对物理试验数据进行曲线拟合的过程。不管采用什么样的拟合算法，由谁来进行拟合，都有必要对最终交付的轮胎属性文件进行检查。只有当轮胎模型的拟合精度满足一定要求时，才能够进一步将其应用于整车仿真中，以对车辆的各项性能进行分析。
因此，有必要开发一种基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法和存储介质。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法，能够对轮胎模型在各种试验工况下的拟合精度进行检验，提升整车仿真分析人员对所使用的轮胎模型的精度进行把控，防止轮胎模型精度不足对最终的整车仿真分析结果造成影响。
本发明所述的一种基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法，包括以下步骤：
步骤1、在多体动力学分析软件Adams中，创建具有调节轮胎安装姿态、控制轮胎运动功能的虚拟轮胎试验台架；
步骤2、根据需要验证的轮胎属性文件和验证工况，创建能够代表试验接触状态的虚拟路面模型，由步骤1中创建的虚拟轮胎试验台架对其调用；
步骤3、根据需要验证的轮胎属性文件和验证工况，对步骤1中创建的虚拟轮胎试验台架进行调整和初步仿真，确定出一个合适的仿真初始条件；
步骤4、根据验证工况需求，提取实际测试数据中的控制信号及响应信号；
步骤5、利用步骤4中提取的控制信号，由步骤1中创建的虚拟轮胎试验台架对其引用；
步骤6、根据验证工况需求和步骤3中确定的仿真初始条件，创建相应的仿真脚本，驱动虚拟轮胎试验台架进行仿真；
步骤7、设定需要检查的精度指标，利用仿真结果与响应信号进行计算，最终获得轮胎模型拟合精度的量化指标。
进一步，所述步骤1中，在Adams中创建虚拟轮胎试验台架包含如下步骤：
(a)确定虚拟轮胎试验台架的拓扑结构；
(b)根据上述步骤(a)中的拓扑结构创建相应的零件。
(c)根据上述步骤(a)中的拓扑结构，在上述(b)中创建的各零件之间建立指定的连接关系，包括一般力和约束副，并在约束副上添加铰链运动；
(d)创建仿真输出请求，包括但不限于轮胎的滑移率、侧偏角、外倾角、接地点和轮心处的轮胎受力。
进一步，所述步骤3中，根据需要验证的轮胎属性文件和验证工况，对步骤1中创建的虚拟轮胎试验台架进行调整和初步仿真，调整包括修改所述步骤(a)中确定的拓扑结构和某些内部参数，并通过初步仿真确定出满足要求的轮轴高度、轮胎转速等初始条件。
进一步，所述步骤6中，创建满足验证工况需求的仿真脚本，在仿真脚本中需要设置的命令包括：
(1)需要验证的轮胎属性文件；
(2)验证工况所使用的路面文件；
(3)各铰链运动必须的运动量；
(4)仿真类型、时长和步数。
进一步，所述步骤2中的虚拟路面模型包括3维平整路面模型以及带有横置90°或斜置45°凸块的2维转鼓路面模型。
进一步，所述步骤4中的控制信号包括速度、轮胎的滑移率、轮胎的侧偏角和轮胎的外倾角；响应信号包括接地点和轮心处的轮胎受力。
进一步，所述步骤5中的引用的方式包括创建样条曲线进行引用。
进一步，所述步骤7中，精度指标包括仿真数据与实测数据之间的和方差SSE和均方根误差RMSE。
本发明还提出了一种存储介质，其存储有一个或多个计算机可读程序，所述计算机可读程序被一个或多个控制器调用执行时，能实现上述的基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法的步骤。
本发明具有以下优点：
本发明提出的基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法能够以CAE仿真的方式重现轮胎模型在实际试验状态下的力学响应，以统计学指标体现轮胎模型的精度，解决了整车仿真分析人员对轮胎模型精度进行把控的问题。
本发明提出的基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法能够适用于多体动力学软件Adams所支持的所有轮胎模型，包括但不限于PAC MC模型，PAC 2002模型，FTire模型，适用类型广泛。
本发明提出的基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法可以对轮胎模型在非验证工况下的力学响应进行预报，对全面探究所使用轮胎模型的力学性能提供了手段。
附图说明
图1为本发明所述的基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法的实施流程图；
图2为虚拟轮胎试验台架拓扑结构图；
图3为实施例1中提取测试数据中的控制信号及响应信号的过程图；
图4为实施例1中仿真控制信号与实测控制信号的对比图；
图5是实施例1中仿真响应信号与实测响应信号的对比图；
图6是实施例2中仿真响应信号1与实测响应信号1的对比图；
图7是实施例2中仿真响应信号2与实测响应信号2的对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例中，如图1所示的一种基于虚拟试验台架验证轮胎模型精度的方法，首先在多体动力学分析软件中搭建具有调节轮胎安装姿态、控制轮胎运动功能的虚拟轮胎试验台架。其次根据轮胎属性文件和验证工况的需求，创建需要使用的虚拟路面模型。然后根据试验数据创建能够复现试验工况的仿真脚本，驱动虚拟试验台架进行仿真。最后通过计算仿真结果和试验数据之间的和方差SSE，均方根误差RMSE等统计量，获得轮胎模型精度的量化指标。此方法可以检查轮胎模型在各种试验工况下的拟合精度，包括以下步骤：
步骤1、在多体动力学分析软件Adams中，创建具有调节轮胎安装姿态、控制轮胎运动功能的虚拟轮胎试验台架；
步骤2、根据需要验证的轮胎属性文件和验证工况，创建能够代表试验接触状态的虚拟路面模型，设定路面的几何轮廓，摩擦系数等要素，由步骤1中创建的虚拟轮胎试验台架对其调用；
步骤3、根据需要验证的轮胎属性文件和验证工况，对步骤1中创建的虚拟轮胎试验台架进行调整和初步仿真，确定出一个合适的仿真初始条件；
步骤4、根据验证工况需求，提取实际测试数据中的控制信号及响应信号；
步骤5、利用步骤4中提取的控制信号，由步骤1中创建的虚拟轮胎试验台架对其引用；
步骤6、根据验证工况需求和步骤3中确定的仿真初始条件，创建相应的仿真脚本，驱动虚拟轮胎试验台架进行仿真；
步骤7、设定需要检查的精度指标，利用仿真结果与响应信号进行计算，最终获得轮胎模型拟合精度的量化指标。
本实施例中，所述步骤1中，在多体动力学分析软件Adams中，创建具有调节轮胎安装姿态、控制轮胎运动功能的虚拟轮胎试验台架，包括如下步骤：
(a)确定虚拟轮胎试验台架的拓扑结构；
(b)根据上述步骤(a)中的拓扑结构创建相应的零件(part)。
(c)根据上述步骤(a)中的拓扑结构，在上述(b)中创建的各零件之间建立指定的连接关系，包括一般力(general force)和约束副(joint)，并在约束副上添加铰链运动(joint motion)；
(d)创建仿真输出请求(request)，包括但不限于轮胎的滑移率、侧偏角、外倾角、接地点和轮心处的轮胎受力。
本实施例中，所述步骤2中，所述根据需要验证的轮胎属性文件和验证工况，创建能够代表实际测试接触状态的虚拟路面模型，一般包括3维平整路面模型以及带有横置90°或斜置45°凸块的2维转鼓路面模型。创建的路面模型必须与轮胎属性文件兼容，使用较多的格式有rdf，crg等。
本实施例中，所述步骤3中，根据需要验证的轮胎属性文件和验证工况，对步骤1中创建的虚拟轮胎试验台架进行适当调整和初步仿真。一般需要适当修改上述步骤(a)中确定的拓扑结构和某些内部参数，并通过初步仿真确定出满足要求的轮轴高度、轮胎转速等初始条件。
本实施例中，所述步骤4中，根据验证工况需求，提取实际测试数据中的控制信号及响应信号，转换成RPC III格式的数据文件。控制信号一般包括速度、轮胎的滑移率、轮胎的侧偏角、轮胎的外倾角等；响应信号一般包括接地点和轮心处的轮胎受力等。
本实施例中，所述步骤5中，根据步骤4中创建的数据文件，在Adams中创建样条曲线对其引用，引用通道为RPC文件中的控制信号。
进一步，所述步骤6中，创建满足验证工况需求的仿真脚本，在仿真脚本中需要设置的命令包括：
(1)需要验证的轮胎属性文件；
(2)验证工况所使用的路面文件；
(3)各铰链运动必须的运动量；
(4)仿真类型、时长和步数。
本实施例中，所述步骤7中，精度指标一般包含仿真数据与响应信号之间的和方差SSE以及均方根误差RMSE等。
以下举例对实施例1进行更详细的说明：
对某轮胎品牌215/50R17型号的PAC2002(USE_MODE＝14)轮胎属性文件“PAC2002_215_50_R17.tir”，进行轮荷6035N，钢带速度25m/s，稳态滑移工况拟合精度检查，以均方根误差RMSE为统计量，计算拟合精度的量化指标。
下面以一个轮胎模型实例按照本实施例中提供的基于虚拟轮胎试验台架检验轮胎模型精度的方法的实施过程进行具体说明。
步骤1：在多体动力学分析软件Adams中，创建具有调节轮胎安装姿态、控制轮胎运动功能的虚拟轮胎试验台架；
(a)确定虚拟轮胎试验台架的拓扑结构，如图2所示。
(b)如图2所示，根据上述步骤(a)中的拓扑结构，在Adams中创建所需的零件(part)。其中，地面(ground)是建立整个虚拟轮胎试验台架的基础。路面(road)对应物理试验中验证稳态滑移工况时所使用的钢带，带束层(belt)对应真实轮胎的带束层，轮辋(rim)对应真实轮胎的轮辋，轮轴(spindle)对应物理试验中的自转轴。借助转向节(wheelcarrier)可以实现轮轴、轮辋和带束层的整体上下移动，借助侧偏调节器(slip adjuster)可以实现转向节、轮轴、轮辋和带束层的整体扭转运动。刚性平面(rigid plane)起到刚性边界的作用，防止整个虚拟轮胎试验台架受反作用力产生运动。
(c)根据上述步骤(a)中的拓扑结构，在上述(b)中创建的各零件之间建立指定的连接关系。地面(ground)与路面(road)之间通过平移副(translational joint)连接，方向为全局X轴正向，并设置平移运动(translational joint motion)，该铰链运动可以用来调节路面的运动速度。在路面(road)与带束层(belt)之间通过六分力(general force)连接，代表路面对轮胎的激励。带束层(belt)与轮辋(rim)之间通过固定副(fixed joint)和六分力(general force)连接。轮辋(rim)与轮轴(spindle)之间通过旋转副(revolute joint)连接，方向为全局Y轴正向，并设置旋转运动(rotational joint motion)，该铰链运动可以用来调节轮胎的滑移率。轮轴(spindle)与转向节(Wheel carrier)之间通过旋转副(revolute joint)连接，方向为全局X轴正向，并设置旋转运动(rotational jointmotion)，该铰链运动可以用来调节轮胎的外倾角。转向节(wheel carrier)与地面(ground)之间通过单分力(single-component)连接，方向为全局Z轴负向，该单分力可以用来施加要求的轮荷；另一方面，转向节(wheel carrier)与侧偏调节器(slip adjuster)之间通过平移副(translational joint)连接，方向为全局Z轴正向，并设置平移运动(translational joint motion)，该铰链运动可以用来调节轮轴高度。侧偏调节器(slipadjuster)与刚性平面(rigid plane)之间通过旋转副(revolute joint)连接，方向为全局Z轴正向，并设置旋转运动(rotational joint motion)，该铰链运动可以用来调节轮胎的侧偏角。刚性平面(rigid plane)与地面之间通过固定副(fixed joint)连接，作为刚性边界。
(d)创建两个仿真输出请求(request)。第一个命名为“kinematics_request”，用来输出轮胎的滑移率，侧偏角和外倾角；第二个命名为“forces_request”，用来输出轮胎接地点处的六分力。
步骤2：基于PAC2002轮胎模型和稳态滑移工况验证需求，采用文本编辑器根据3DShell路面模型的格式要求，创建路面文件“3d_flat.rdf”，由虚拟轮胎试验台架对其调用。
步骤3：所要验证的轮胎属性文件“PAC2002_215_50_R17.tir”，其使用模式USE_MODE为14，因此轮辋(rim)和带束层(belt)之间可以视为刚性连接，关闭六分力2。由轮荷6035N和钢带速度25m/s确定出轮轴高度为295.6mm，轮胎初始转速为63.52rad/s。
步骤4：如图3所示，根据稳态滑移工况验证需求，分别提取实际测试数据中的滑移率和接地点处的纵向力作为控制信号和响应信号，构建一个名为“Fx_Pure.xls”的测试数据文件1。利用疲劳分析软件2FEMFAT-LAB将该文件转换成RPC III格式的数据文件3“Fx_Pure.rsp”。xls文件中的内容4与rsp文件中的内容5具有对应关系，即控制信号滑移率SR为通道1，响应信号纵向力FX为通道2。
步骤5：根据步骤4中创建的数据文件“Fx_Pure.rsp”，在View界面中创建样条曲线(SPLINE_1)对其引用，引用通道为通道1。
步骤6：根据稳态滑移工况验证需求，创建仿真脚本(SIM_SCRIPT_1)，驱动步骤1中创建的虚拟轮胎试验台架进行仿真：
(1)设定需要验证的轮胎属性文件，命令如下，
STRING/1,STRING＝C:\test\PAC2002_215_50_R17.tir
(2)设定验证工况所使用的路面文件，命令如下，
STRING/2,STRING＝C:\test\3d_flat.rdf
(3)各铰链运动必须的运动量，其中关于轮胎稳态滑移的命令如下，
MOTION/35,VELOCITY,FUNCTION＝(1+interp(time,3,1))*63.52
(4)仿真类型，时长和步数，命令如下，
SIMULATE/STATIC
SIMULATE/DYNAMIC,END＝20,STEPS＝4000
步骤7：仿真数据中的滑移率与控制信号对比如图4所示，仿真数据中的纵向力与响应信号对比如图5所示。设定精度指标为均方根误差RMSE，计算公式如下，
Figure BDA0002517414170000071
其中n为样本点个数。将仿真数据按照响应信号的采样频率进行重采样，以重采样之后的仿真数据进行计算，最终得到两者的均方根误差为359N。
实施例2
对某轮胎品牌215/50R17型号的FTire轮胎属性文件“FTire_215_50_R17.tir”，进行轮荷7.2kN，转鼓速度40km/h，动态滚过90°横置凸块工况下的拟合精度进行检查，以均方根误差RMSE为统计量，获得拟合精度的量化指标。
步骤1：在多体动力学分析软件Adams中，创建具有调节轮胎安装姿态、控制轮胎运动功能的虚拟轮胎试验台架。
步骤2：基于FTire轮胎模型和动态滚过90°横置凸块工况验证需求，采用文本编辑器根据2D Road路面模型的格式要求创建路面文件“2d_drum.rdf”，由虚拟轮胎试验台架对其调用。
步骤3：所要验证的轮胎属性文件“FTire_215_50_R17.tir”，属于一种柔性环轮胎模型，因此关闭六分力2。由轮荷7.2kN和转鼓速度40km/h确定出轮轴高度为290.9mm，轮胎初始转速为35.66rad/s。
步骤4：根据步骤2中确定的动态滚过90°横置凸块工况验证需求，分别提取实际测试数据中的转鼓速度和轮心处的纵向力，垂向力作为控制信号和响应信号，构建一个名为“Cleat_90.xls”的测试数据文件。
步骤5：在路面文件“2D_drum.rdf”中对控制信号速度V进行引用，命令如下。
[PARAMETERS]
V＝11.111
步骤6：根据动态滚过90°横置凸块工况验证需求，创建仿真脚本(SIM_SCRIPT_1)，驱动步骤1中创建的虚拟轮胎试验台架进行仿真：
(1)设定需要验证的轮胎属性文件，命令如下，
STRING/1,STRING＝C:\test\FTire_215_50_R17.tir
(2)设定验证工况所使用的路面文件，命令如下，
STRING/2,STRING＝C:\test\2d_drum.rdf
(3)各铰链运动必须的运动量，其中设置轮轴高度的命令如下，
MOTION/38,FUNCTION＝-33.5605
(4)仿真类型，时长和步数，命令如下
SIMULATE/STATIC
SIMULATE/DYNAMIC,END＝4,STEPS＝10000
步骤7：仿真数据垂向力(仿真响应信号1)与测试数据垂向力(实测响应信号1)的对比如图6所示，仿真数据纵向力(仿真响应信号2)与测试数据纵向力(实测响应信号2)的对比如图7所示。设定精度指标为均方根误差RMSE。仿真数据数据与响应信号的采样频率均为2500Hz，可以保证时间点的重合。最终得到轮心垂向力FZC的均方根误差为265N，轮心纵向力FX的均方根误差为463N。
本发明还提出了一种存储介质，其存储有一个或多个计算机可读程序，所述计算机可读程序被一个或多个控制器调用执行时，能实现上述的基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法的步骤。

Claims (9)

1.一种基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在多体动力学分析软件Adams中，创建具有调节轮胎安装姿态、控制轮胎运动功能的虚拟轮胎试验台架；
步骤2、根据需要验证的轮胎属性文件和验证工况，创建能够代表试验接触状态的虚拟路面模型，由步骤1中创建的虚拟轮胎试验台架对其调用；
步骤3、根据需要验证的轮胎属性文件和验证工况，对步骤1中创建的虚拟轮胎试验台架进行调整和初步仿真，确定出一个合适的仿真初始条件；
步骤4、根据验证工况需求，提取实际测试数据中的控制信号及响应信号；
步骤5、利用步骤4中提取的控制信号，由步骤1中创建的虚拟轮胎试验台架对其引用；
步骤6、根据验证工况需求和步骤3中确定的仿真初始条件，创建相应的仿真脚本，驱动虚拟轮胎试验台架进行仿真；
步骤7、设定需要检查的精度指标，利用仿真结果与响应信号进行计算，最终获得轮胎模型拟合精度的量化指标。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法，其特征在于，所述步骤1中，在Adams中创建虚拟轮胎试验台架包含如下步骤：
(a)确定虚拟轮胎试验台架的拓扑结构；
(b)根据上述步骤(a)中的拓扑结构创建相应的零件。
(c)根据上述步骤(a)中的拓扑结构，在上述(b)中创建的各零件之间建立指定的连接关系，包括一般力和约束副，并在约束副上添加铰链运动；
(d)创建仿真输出请求，包括但不限于轮胎的滑移率、侧偏角、外倾角、接地点和轮心处的轮胎受力。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法，其特征在于，所述步骤3中，根据需要验证的轮胎属性文件和验证工况，对步骤1中创建的虚拟轮胎试验台架进行调整和初步仿真，调整包括修改所述步骤(a)中确定的拓扑结构和某些内部参数，并通过初步仿真确定出满足要求的轮轴高度、轮胎转速等初始条件。
4.根据权利要求2所述的基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法，其特征在于，所述步骤6中，创建满足验证工况需求的仿真脚本，在仿真脚本中需要设置的命令包括：
(1)需要验证的轮胎属性文件；
(2)验证工况所使用的路面文件；
(3)各铰链运动必须的运动量；
(4)仿真类型、时长和步数。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法，其特征在于，所述步骤2中的虚拟路面模型包括3维平整路面模型以及带有横置90°或斜置45°凸块的2维转鼓路面模型。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法，其特征在于，所述步骤4中的控制信号包括速度、轮胎的滑移率、轮胎的侧偏角和轮胎的外倾角；响应信号包括接地点和轮心处的轮胎受力。
7.根据权利要求1所述的基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法，其特征在于，所述步骤5中的引用的方式包括创建样条曲线进行引用。
8.根据权利要求1所述的基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法，其特征在于：所述步骤7中，精度指标包括仿真数据与实测数据之间的和方差SSE和均方根误差RMSE。
9.一种存储介质，其特征在于：其存储有一个或多个计算机可读程序，所述计算机可读程序被一个或多个控制器调用执行时，能实现如权利要求1至8任一所述的基于虚拟轮胎试验台架检查轮胎模型精度的方法的步骤。
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