Modelagem de ruptura de pneu em simulações de colisão frontal de sobreposição pequena

Em pequenos impactos frontais sobrepostos, as bordas externas do veículo, que não estão bem protegidas pelas estruturas da zona de esmagamento , estão formando o principal caminho de transporte de carga. Pneus e rodas, bem como o sistema de suspensão, geralmente estão sujeitos à força de impacto. Os pneus atingidos pela barreira rígida geralmente estouram com o rompimento do pneu e da roda, bem como perdem seus selos de ar ao desfiar. O estouro do pneu afeta a cinemática e a deformação da suspensão do veículo e, consequentemente, afeta o desempenho do veículo em colisões.

A contabilização da diminuição da pressão devido ao estouro do pneu é importante para a previsão precisa da resposta do veículo ao acidente. Portanto, modelar a ruptura do pneu que é causada por danos materiais e / ou desbaste devido à perda de vedação entre o pneu e o aro é a chave para replicar o evento de colisão de pequena sobreposição. Este artigo apresenta a modelagem de elementos finitos de pneus no Abaqus para contabilizar o estouro do pneu em simulações de colisão.

Modelagem de pneus

A primeira etapa é criar um modelo bidimensional de inflação de pneus com simetria axial. Isso inclui a modelagem da banda de rodagem e da parede lateral do pneu usando elementos sólidos axissimétricos; a modelagem de cintas de pneus e carcaças com elementos de superfície axissimétricos incorporados; e a roda com elementos de casca axissimétricos.

A segunda etapa é gerar um modelo de pneu tridimensional simétrico girando o modelo bidimensional no final da análise de inflação em 360 graus. Com o parâmetro “FILE NAME” da opção * SYMMETRIC MODEL GENERATION do Abaqus / Standard, será criado um modelo tridimensional com a extensão .axi. Este arquivo inclui as definições de nó, elemento e seção.

Modelagem de estouro de pneu

A principal característica para replicar o estouro do pneu é modelar os dois mecanismos de falha:rupturas de material no pneu e no aro da roda e desbaste. Portanto, as seguintes modificações devem ser feitas no modelo tridimensional do pneu:A parede lateral do pneu e o aro da roda devem ser modelados como duas partes separadas para permitir a separação a fim de compensar o rebaixamento. O talão de aço precisa ser modelado de forma que haja resistência e fricção suficientes para manter o pneu intacto quando inflado com a pressão sugerida do pneu. Aqui, modelamos o talão do pneu usando elementos de viga 3D.

As propriedades materiais da banda de rodagem e da parede lateral do pneu devem ser capazes de capturar o dano destrutivo do material de borracha no impacto, criando assim aberturas no pneu permitindo que o ar escape para fora do pneu e estourar. Dependendo das condições, como ângulo de impacto e velocidade de impacto, qualquer um dos mecanismos pode disparar o estouro do pneu. Qualquer um dos dois mecanismos - ruptura de material e descolamento acontecem primeiro - será seguido pelo rompimento do pneu e queda rápida na pressão do pneu e perda de suporte para o sistema de suspensão do veículo.

O recurso de cavidade do fluido Abaqus é usado para modelar a pressão interna do pneu. Um volume fechado é definido pelo uso de elementos de superfície que cobrem a parte interna do pneu e do aro, compartilhando nós com a camada interna de nós do pneu e do aro. A pressão do pneu está relacionada ao volume fechado. Para compensar a falha do material, usamos o material hiperelástico juntamente com os critérios de dano para as propriedades do material de borracha da banda de rodagem e da parede lateral. Após o dano do material e a remoção do elemento, os elementos de superfície subjacentes ao material de borracha estarão livres para serem empurrados para fora do pneu pela diferença de pressão.

O volume da cavidade de fluido aumenta rapidamente e a pressão do pneu diminui à medida que o volume aumenta. Para compensar o rebaixamento, a área que o pneu está em contato com o aro precisa ser modelada da seguinte forma:O anel de elementos de superfície no aro, onde um está preso à parede lateral do pneu, são redesenhados com um malha mais fina, criando assim duas camadas de nós livres no volume fechado da cavidade de fluido. Dois anéis de elementos de casca com rigidez de material desprezível são adicionados, compartilhando nós com os dois anéis de elementos de superfície. O contato é definido entre os dois anéis dos elementos da casca e o aro para manter os nós livres no lugar quando o pneu e o aro não estão separados.

Os nós livres são deslocados para evitar estar no mesmo local que a borda para melhores condições de contato. Quando ocorrer o desfibramento, os nós livres ficarão livres para passar pela abertura, aumentando assim o volume e despressurizando o pneu. As linhas vermelhas correspondem aos elementos de superfície com elementos de casca subjacentes que fecham a lacuna entre o pneu e o aro, criando um volume fechado para a cavidade de fluido.

Resultados da simulação

Impacto vertical, impacto lateral e um impacto de 45 graus foram simulados. Verificou-se que no impacto vertical, quando o impactador entra em contato com o pneu na banda de rodagem, o material de borracha danifica onde o aro também entra em contato com a banda de rodagem. A ruptura do pneu segue com uma rápida queda de pressão. No impacto lateral, quando o impactador entra em contato com a parede lateral do pneu, a parede lateral se separa do aro. A ruptura do pneu segue com uma rápida queda de pressão. No impacto de 45 graus, ocorrem danos materiais e desbaste, resultando na despressurização do pneu.

A falha de material aconteceu primeiro em cerca de 4 mseg e a remoção de gotas segue em cerca de 4,5 mseg no outro lado do pneu onde o aro se move mais rápido do que a parede do pneu devido ao impacto. A curva de pressão da cavidade de fluido é obtida a partir da simulação. É mostrado que a pressão continua aumentando após o dano material devido à velocidade de escape de ar ainda é menor do que o aumento de pressão devido ao impacto. Porém, após 0,5 ms, a pressão começa a cair. O pneu esvazia totalmente em cerca de 5,5 mseg. O processo de ruptura leva um total de 1,5 ms, desde a primeira aparição da falha do material até a pressão zero.

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