一種輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別及方法
【專利摘要】本發明公開一種輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別及方法，包括如下步驟：（1）建立帶混合花紋的輪胎—路面有限元模型，計算輪胎靜態加載力學分析；（2）建立輪胎穩態和瞬態滾動狀態下的動力學分析；（3）建立接地區花紋溝噪聲數值模型；（4）花紋溝內部流場特性；（5）采用渦聲理論建立流場與聲場之間的聯系，通過求解Lamb矢量得到花紋溝泵吸噪聲聲源分布位置。在產生噪聲的位置，改進輪胎花紋溝結構，重新進行輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別，直至達到噪音的設計要求。基于渦聲理論識別輪胎在滾動過程中，花紋溝噪聲聲源分布位置，從而實現通過控制聲源來降低輪胎花紋溝噪聲的目的，為低噪聲輪胎胎面花紋的設計提供指導。
【專利說明】一種輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種車輛輪胎的設計方法，具體為一種輪胎花紋溝噪聲聲源識別及改 進方法。
【背景技術】
[0002] 輪胎噪聲是汽車四大噪聲源成分之一，占據40%之多的比例，且隨行駛速度的增 加而持續增加。研究表明乘用車車速超過50km / h時、載重車速度超過70km / h，輪胎噪 聲就會凸現出來并迅速占據車輛噪聲源主要位置。為了限制輪胎噪聲的大小，2009年歐盟 頒布的EC1222 / 2009《有關燃油效率及其他參數的輪胎標簽》，對輪胎噪聲、滾動阻力、濕 路面抓著性能提出了具體的限級和實施日期，并且在2012年7月1日正式實施。日本、韓 國、美國等國家也制定并實施了類似的輪胎標簽法規。然而，據中國商用汽車網報道，目前 中國制造商生產的36%輪胎達不到歐盟第一階段標準，50%達不到歐盟第二階段的要求。 在此環境下，我國相關部門也在積極醞釀起草適合中國的綠色輪胎自律標準。
[0003] 依據噪聲產生機理，輪胎噪聲可以分為胎體振動噪聲和花紋溝氣動噪聲。花紋溝 氣動噪聲主要與胎面花紋在滾動過程中發生擠壓變形而導致花紋溝內部空氣受擠后發出 的聲音。其中，縱向花紋溝槽主要產生氣柱共鳴噪聲，橫向花紋溝槽產生泵吸噪聲，混合花 紋溝二者兼有。如果能夠明確輪胎花紋噪聲源位置、降低氣柱共鳴噪聲和泵吸噪聲能量， 就可以實現輪胎噪聲性能的改善。為此，近年來有各種各樣的技術措施來降低輪胎花紋 溝噪聲。歐洲專利EP2014485和EP2011671、美國專利US8191591B2等對傳統縱向花紋溝 光滑壁面設置不同結構尺寸的凹腔形式來降低輪胎縱向花紋的氣柱共鳴噪聲。中國專利 CN102862448A通過引入外在氣流作用來降低花紋溝泵吸噪聲，中國專利201310151928則 是通過對花紋溝設置散射柱的方式改變花紋溝內部空氣流動而降低氣柱共鳴噪聲。但是， 上述技術措施主要是憑借經驗積累，在不清晰輪胎花紋溝噪聲聲源位置的前提下，往往采 用試錯方法對花紋結構進行局部改進設計，這樣就會延長新產品開發周期長，增加生產成 本。
[0004] 事實上，輪胎縱向花紋溝的氣柱共鳴噪聲對輪胎整體噪聲貢獻度小于橫向花紋溝 的泵吸噪聲，但是，橫向花紋溝的存在主要是兼顧輪胎的操作穩定性和抓地性能，不能忽 略。因此，橫向花紋溝產生的泵吸噪聲就是輪胎噪聲的主要成分，且此觀點也被國內外廣大 科研工作人員所認可。噪聲污染主要從噪聲源控制、傳播途徑控制和人耳保護等三個方面 來加以控制。低噪聲輪胎花紋的設計首先要明確花紋溝噪聲主要聲源位置，通過控制噪聲 源的方法來降低輪胎滾動噪聲。
[0005] 江蘇大學碩士論文《基于FSI方法的輪胎橫向花紋溝泵吸噪聲研究》和《輪胎泵吸 噪聲計算方法及其降噪的研究》，也是采用數值計算方法研究了花紋結構對輪胎噪聲的影 響，但是二者的研究對象都是簡化了的橫向溝槽，與輪胎混合花紋的事實不相符；再者，這 兩個研究只是定性判斷噪聲的性質，不能明確指明噪聲的位置。
【發明內容】
[0006] 為了確切指明噪聲的位置并進一步設計出噪音小的輪胎，本發明提供一種輪胎花 紋溝噪聲聲源識別及改進方法。
[0007] 本發明是這樣實現的，一種輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別及方法，包括如下步 驟：
[0008] (1)建立帶混合花紋的輪胎-路面有限元模型，計算輪胎靜態加載力學分析；
[0009] (2)建立輪胎穩態和瞬態滾動狀態下的動力學分析；
[0010] (3)建立接地區花紋溝噪聲數值模型；
[0011] (4)花紋溝內部流場特性；
[0012] (5)采用渦聲理論建立流場與聲場之間的聯系，通過求解Lamb矢量得到花紋溝泵 吸噪聲聲源分布位置。
[0013] 所述輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別方法，第（1)步所述建立帶混合花紋的輪 胎-路面有限元模型，計算輪胎靜態加載力學分析，為采用Yeoh橡膠材料模型、rebar模 擬鋼絲簾線建立輪胎非線性大變形有限元模型，輪輞、路面簡化剛性解析體，采用有限滑移 法模擬輪胎與輪輞、輪胎與地面之間的接觸，根據輪胎類型、輪胎標準載荷、行駛速度、混合 花紋結構尺寸對輪胎進行靜力學分析，獲得輪胎靜力學參數，如接地印痕參數、接地壓力分 布、下沉量、鋼絲應力和應變等參數。
[0014] 所述輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別方法，第（2)步所述建立輪胎穩態和瞬態滾動 狀態下的動力學分析，為
[0015] 1)穩態滾動狀態輪胎分析：
[0016] 在⑴的基礎上，根據1速度參數，采用Standard模塊下的ALE方法模擬輪胎在 一定速度下穩態滾動的狀態，通過判定路面切向力或輪輞轉矩大小確定滾動是否達到穩定 狀態；
[0017] 2)輪胎瞬態滾動狀態分析：本發明將隱式穩態滾動計算結果直接導入顯式瞬態 滾動計算中，當軸向載荷達到平穩狀態時，根據輪胎穩態自由滾動有效半徑和行駛速度，計 算輪胎滾動一周所需時間t，從而提取接地區花紋溝在滾動一周過程中花紋溝體積隨時問 的變化信思。
[0018] 所述輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別方法，第（3)步所述建立接地區花紋溝噪聲數 值模型，為根據（1)中混合花紋輪胎靜態加載下接地長度，建立接地區花紋溝、路面和周圍 空氣流場模型，施加（2)中瞬態滾動過程中花紋溝體積變化特性作為花紋溝擠壓與舒張狀 態變化過程內部流場計算的邊界條件。
[0019] 所述輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別方法，第（4)步所述花紋溝內部流場特性， 為在（3)數值模型基礎上，采用CFD動網格技術施加花紋溝體積變化信息，湍流模型為 RNGk- e，流體計算方法為大渦模擬，分別對花紋溝噪聲數值模型進行穩態、瞬態分析，獲得 花紋溝內部在泵吸過程中流場分布特性，統計相關的流場統計參數，如速度、湍流動能和渦 量分布等流場信息參數。
[0020] 所述輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別方法，第（5)步所述采用渦聲理論建立流場與 聲場之間的聯系，通過求解Lamb矢量得到花紋溝泵吸噪聲聲源分布位置，為在花紋溝內部 流場分析的基礎上，采用渦聲理論建立流場與聲場之間的關系，通過求解Lamb識別花紋溝 泵吸噪聲聲源位置和強度分布，
[0021] Lamb矢量數學表達式為：
[0022] Lamb Vector = V ? {to xu) (7)
[0023] 式中，《為渦量,在笛卡爾坐標系中包含Wi, ?j, 三個方向的分量,U為速度， 在笛卡爾坐標系中包含Ui, Uj, Uk三個方向的分量，▽為拉普拉斯算子，由式（7)可知，渦量 與速度之間有如式（8)到式（10)關系，
【權利要求】
1. 一種輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別及方法，包括如下步驟： (1) 建立帶混合花紋的輪胎-路面有限元模型，計算輪胎靜態加載力學分析； (2) 建立輪胎穩態和瞬態滾動狀態下的動力學分析； (3) 建立接地區花紋溝噪聲數值模型； (4) 花紋溝內部流場特性； (5) 采用渦聲理論建立流場與聲場之間的聯系，通過求解Lamb矢量得到花紋溝泵吸噪 聲聲源分布位置。
2. 如權利要求1所述輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別方法，其特征在于：第（1)步所述 建立帶混合花紋的輪胎-路面有限元模型，計算輪胎靜態加載力學分析，為采用Yeoh橡膠 材料模型、rebar模擬鋼絲簾線建立輪胎非線性大變形有限元模型，輪輞、路面簡化剛性解 析體，采用有限滑移法模擬輪胎與輪輞、輪胎與地面之間的接觸，根據輪胎類型、輪胎標準 載荷、行駛速度、混合花紋結構尺寸對輪胎進行靜力學分析，獲得輪胎靜力學參數，如接地 印痕參數、接地壓力分布、下沉量、鋼絲應力和應變等參數。
3. 如權利要求2所述輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別方法，其特征在于：第（2)步所述 建立輪胎穩態和瞬態滾動狀態下的動力學分析，為 1) 穩態滾動狀態輪胎分析： 在⑴的基礎上，根據1速度參數，采用Standard模塊下的ALE方法模擬輪胎在一定速 度下穩態滾動的狀態，通過判定路面切向力或輪輞轉矩大小確定滾動是否達到穩定狀態； 2) 輪胎瞬態滾動狀態分析：本發明將隱式穩態滾動計算結果直接導入顯式瞬態滾動 計算中，當軸向載荷達到平穩狀態時，根據輪胎穩態自由滾動有效半徑和行駛速度，計算輪 胎滾動一周所需時間t，從而提取接地區花紋溝在滾動一周過程中花紋溝體積隨時問的變 化信思。
4. 如權利要求3所述輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別方法，其特征在于：第（3)步所述 建立接地區花紋溝噪聲數值模型，為根據（1)中混合花紋輪胎靜態加載下接地長度，建立 接地區花紋溝、路面和周圍空氣流場模型，施加（2)中瞬態滾動過程中花紋溝體積變化特 性作為花紋溝擠壓與舒張狀態變化過程內部流場計算的邊界條件。
5. 如權利要求4所述輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別方法，其特征在于：第（4)步所述 花紋溝內部流場特性，為在（3)數值模型基礎上，采用CFD動網格技術施加花紋溝體積變化 信息，湍流模型為RNGk- e，流體計算方法為大渦模擬，分別對花紋溝噪聲數值模型進行穩 態、瞬態分析，獲得花紋溝內部在泵吸過程中流場分布特性，統計相關的流場統計參數，如 速度、湍流動能和渦量分布等流場信息參數。
6. 如權利要求5所述輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別方法，其特征在于：第（5)步所述 采用渦聲理論建立流場與聲場之間的聯系，通過求解Lamb矢量得到花紋溝泵吸噪聲聲源 分布位置，為在花紋溝內部流場分析的基礎上，采用渦聲理論建立流場與聲場之間的關系， 通過求解Lamb識別花紋溝泵吸噪聲聲源位置和強度分布， Lamb矢量數學表達式為： Lamb Vector = V ? (o x w) (7) 式中，〇為渦量，在笛卡爾坐標系中包含Oi, Oj，Ok三個方向的分量，U為速度,在笛 卡爾坐標系中包含Ui, Uj，Uk三個方向的分量，▽為拉普拉斯算子，由式（7)可知，渦量與速 度之間有如式（8)到式（10)關系，
通過對花紋溝內部lamb矢量圖確定噪聲聲源位置。
7.根據權利要求1-6輪胎花紋溝泵吸噪聲聲源識別方法改進輪胎花紋溝泵吸噪聲的 方法，其特征在于：在產生噪聲的位置，改進輪胎花紋溝結構，重新進行輪胎花紋溝泵吸噪 聲聲源識別，直至達到噪音的設計要求。
【文檔編號】G06F17/50GK104344967SQ201410071700
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年2月28日 優先權日:2014年2月28日
【發明者】周海超, 王國林, 楊建 , 梁晨, 李昭, 李國瑞, 薛開鑫 申請人:風神輪胎股份有限公司