轮胎力学模型是车辆动力学分析和研究的基础。获取轮胎力学模型的参数,通常需要大量的轮胎试验进行参数辨识,特别是目前广泛应用的经验轮胎模型Magic Formula,由于模型参数繁多,需要的轮胎试验更多。而国内轮胎试验条件有限,拥有轮胎试验台的企业和科研机构很少(目前仅有13台MTS Flat-Trac试验台),试验成本高,且基本没有开展相关的试验规范及测试技术研究,无法满足现有的轮胎参数辨识需求。同时,目前常用的轮胎力学模型中采用较多的经验拟合,参数的物理意义不明确,适用工况范围窄,超出试验数据范围后表达能力迅速变差,基本没有预测能力。对一些极限工况下的特殊力学特性无法模拟,更无法对某些力学特性的机理进行分析。而有限元模型,作为一款完全的物理模型,不存在以上缺陷,但是建立一款有限元模型所需要的参数更加繁多且难以获取,建模周期长,计算效率低。因此,本文开发出了一款辨识所需试验数据少,参数少且物理意义明确,适用工况范围广,预测能力强,计算效率较高,且便于研究轮胎力学特性变化机理的半物理轮胎模型。首先,本文采用不同胎面花纹的轮胎有限元模型研究了花纹对轮胎接地印迹特性的影响;然后,基于轮胎有限元模型仿真数据,分别建立了考虑胎压和载荷的轮胎接地印迹特性模型和胎体复杂变形模型;最后,基于以上接地印迹特性模型和胎体复杂变形模型建立了一款半物理轮胎模型。经验证该半物理轮胎模型对不同胎压和载荷下力学特性的表达能力优异,且该模型具有很好的胎压和载荷的预测能力,并通过对比发现,该半物理轮胎模型的载荷预测能力好于Magic Formula轮胎模型的。论文的主要研究内容和结论如下:1、本文建立了两种型号的轮胎有限元模型并验模。本文建立了型号分别为205/55R16和235/60R18的光面胎,纵向沟槽胎和复杂花纹轮胎有限元模型,以上两种型号轮胎的三款有限元模型除胎面花纹类型不同以外,其他参数完全相同。通过不同胎压和载荷下的接地印迹特性试验,静态刚度试验对所建两种型号的复杂花纹轮胎有限元模型进行了验证。验证结果表明两种型号的复杂花纹轮胎有限元模型精度较高,为后续接地印迹特性建模和胎体复杂变形建模提供了充足的仿真数据。2、本文对轮胎静载接地印迹特性进行了试验研究,定义了轮胎接地印迹特性包括轮胎接地印迹半宽特性,二维接地印迹半长特性和二维接地压力分布特性。简单介绍了四款接地压力分布测试方法以及介绍了本文所用的静载接地印迹特性试验方法。通过静载接地印迹特性试验数据可知,轮胎静载接地压力分布有明显的非均匀性,特别是超载和欠胎压工况下,轮胎静载接地压力分布的非均匀性更加明显。3、本文研究了胎面花纹对静载轮胎接地印迹特性的影响。基于型号为205/55R16的光面胎,纵向沟槽胎和复杂花纹轮胎有限元模型,研究了胎面花纹对静载接地压力分布的影响。研究结果表明,胎面花纹基本不影响接地印迹特性随胎压和载荷的变化规律,因此基于纵向沟槽轮胎有限元模型仿真数据所建立的接地印迹特性模型基本适应于任何胎面花纹轮胎。4、本文建立了考虑胎压和载荷的轮胎接地印迹特性模型。基于型号为205/55R16的轮胎有限元模型接地印迹特性仿真数据,建立了一款轮胎接地印迹特性模型,并验证了该模型的精度。验证结果表明,该模型能精确表达不同胎压和载荷下,静载工况,纯侧偏工况,纯纵滑工况和侧偏纵滑复合工况的接地印迹半宽,二维接地印迹半长以及二维接地压力分布。且该模型具有纯工况预测复合工况以及复合工况退化到纯工况的能力。最后,本文介绍了该接地印迹特性模型的参数和辨识方法,并采用型号为235/60R18的有限元模型接地印迹特性仿真数据验证了该模型对不同胎压以及不同载荷包括超载工况的预测能力。该模型满足一定的边界条件,以理论为框架,从机理出发建模,因此预测能力较强,且参数少,参数辨识所需试验数据容易获取。5、本文建立了考虑胎压和载荷的胎体复杂变形模型。基于轮胎有限元模型研究了纵向力,侧向力,回正力矩以及以上复合力作用下的胎体变形特性,并考虑了不同胎宽处的胎体变形特性,最后建立了一套完整的胎体复杂变形模型,并验证了该模型的精度以及胎压和载荷预测能力。研究主要得到以下结论:胎体的纵向平移刚度,侧向平移刚度和扭转刚度基本不受载荷的影响,只与胎压线性正相关,而胎体的弯曲刚度与胎压呈线性正相关,与载荷呈二次函数关系。胎体复杂变形模型与胎压和载荷关系简单使得胎体复杂变形模型具有较强的预测能力。不同胎宽处的胎体变形基本相同,因此二维胎体变形特性可以等效为接地印迹中心线处的一维胎体变形特性。复合力作用下,胎体变形特性耦合较小,复合力作用的下的胎体变形基本为单独力作用下胎体变形的简单叠加。6、本文建立了一个半物理轮胎模型。基于上述接地印迹特性模型和胎体复杂变形模型本文建立了半物理轮胎模型,并研究了该模型对不同胎压和载荷下轮胎力学特性的表达能力,结果表明该模型能精确表达纵滑刚度,侧偏刚度,回正刚度随胎压和载荷的变化趋势;能精确表达侧偏纵滑复合工况下,纵向滑移率-侧向力曲线的不对称现象,“双峰”现象,以及回正力矩曲线的倾斜现象。本文还介绍了该模型的参数和辨识方法,验证了该模型的精度以及胎压和载荷预测能力,并与Magic Formula轮胎模型的载荷预测能力进行了对比。验证结果表明仅采用少量纯工况试验数据进行辨识的条件下,该模型对复合工况以及其他胎压和载荷包括超载工况力学特性具有较高的预测能力,且预测精度高于Magic Formula轮胎模型。本文的主要创新点如下:1、本文提出了一种新的轮胎接地印迹特性模型,该模型能精确表达不同胎压和载荷下,静载工况,纯侧偏工况,纯纵滑工况和侧偏纵滑复合工况的接地印迹半宽,二维接地印迹半长以及二维接地压力分布。该模型以理论为框架,具有很强的胎压和载荷预测能力,具有纯工况预测复合工况,将复合工况退化到纯工况的能力。同时,该模型还为轮胎磨损,噪声,道路破坏机理等的定量分析提供了理论基础。2、本文研究了胎体的复杂变形特性,提出了一种完善的胎体复杂变形模型。该模型能精确表达不同胎压和载荷下,纵向力,侧向力,回正力矩以及以上复合力作用下的二维胎体变形,且具有很强的胎压预测能力。3、基于以上轮胎接地印迹特性模型和胎体复杂变形模型,提出一种半物理轮胎模型,该模型能精确表达不同胎压和载荷下稳态和非稳态轮胎力学特性,辨识所需试验数据少且易获取,模型参数物理意义明确,便于研究轮胎力学特性变化机理,具有很强的胎压和载荷预测能力。