Simulando Falha de Pneu em Colisões Frontais de Pequena Sobreposição: Impacto na Dinâmica Veicular

Em impacto frontal de pequena sobreposição, as bordas externas do veículo, que não são bem protegidas pelas estruturas de zona de deformação, formam o principal caminho de carga. Pneus e rodas, bem como o sistema de suspensão, são geralmente submetidos à força de impacto. Os pneus atingidos pela barreira rígida geralmente estouram com a ruptura do pneu e roda, além de perderem suas vedações de ar por desbobinamento (de-beading). O estouro do pneu afeta a cinemática e deformação da suspensão do veículo e, consequentemente, afeta o desempenho de colisão do veículo.

Contabilizar a diminuição de pressão devido ao estouro do pneu é importante para previsão precisa da resposta de colisão do veículo. Portanto, modelar o estouro do pneu causado por dano de material e/ou desbobinamento devido à perda de vedação entre pneu e aro é fundamental 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 do Pneu

A primeira etapa é criar um modelo de inflação de pneu bidimensional axisimétrico. Isso inclui a modelagem da banda de rodagem e parede lateral do pneu usando elementos sólidos axisimétricos; a modelagem de cintas e carcaça do pneu com elementos de superfície axisimétricos embutidos; e a roda com elementos de casca axisimétricos.

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

Modelando o Estouro do Pneu

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

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

O recurso de cavidade de fluido do Abaqus é usado para modelar a pressão interna do pneu. Um volume fechado é definido usando elementos de superfície que cobrem o interior do pneu e aro compartilhando nós com a camada interna de nós do pneu e aro. A pressão do pneu está relacionada ao volume fechado. Para contabilizar a falha do material, usamos o material hiperelástico junto com critérios de dano para as propriedades do material de borracha da banda de rodagem e parede lateral. Após dano do material e remoção de elementos, os elementos de superfície subjacentes ao material de borracha ficarão 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 cai à medida que o volume aumenta. Para contabilizar o desbobinamento, a área onde o pneu contacta o aro precisa ser modelada da seguinte forma: O anel de elementos de superfície no aro, onde um está anexado à parede lateral do pneu, são remalheados com 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. Contato é definido entre os dois anéis de elementos de casca e o aro para manter os nós livres no lugar quando pneu e aro não estão separados.

Os nós livres são deslocados para evitar estarem no mesmo local que o aro para melhores condições de contato. Quando o desbobinamento acontece, os nós livres ficarão livres para passar pela abertura, tornando o volume maior 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 assim um volume fechado para a cavidade de fluido.

Resultados da Simulação

Impacto vertical, lateral e de 45 graus foram simulados. Verificou-se que no impacto vertical, quando o impactador contacta o pneu na banda de rodagem, o material de borracha danifica onde o aro também contacta a banda de rodagem. O estouro do pneu segue com queda rápida de pressão. No impacto lateral, quando o impactador contacta a parede lateral do pneu, a parede lateral separa do aro. O estouro do pneu segue com queda rápida de pressão. No impacto de 45 graus, tanto dano de material quanto desbobinamento acontecem, resultando em despressurização do pneu.

A falha de material aconteceu primeiro em cerca de 4 mseg e o desbobinamento segue em cerca de 4,5 mseg do outro lado do pneu onde o aro se move mais rápido que a parede do pneu devido ao impacto. A curva de pressão da cavidade de fluido é obtida da simulação. Mostra-se que a pressão continua aumentando após dano do material devido à velocidade de escape do ar ainda ser menor que o aumento de pressão devido ao impacto. Mas após 0,5 mseg a pressão começa a cair. O pneu desinfla completamente em cerca de 5,5 mseg. O processo de estouro leva um total de 1,5 mseg desde a primeira aparição de falha de material até pressão zero.

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