轮胎路面耦合ABAQUS高速滚动仿真

ABAQUS有限元 | 轮胎-路面耦合 | 高速滚动 | SUBMODEL | 接触应力 | Mooney-Rivlin

一、研究背景与工程痛点

轮胎与路面的耦合作用是车辆-路面系统动力学的核心问题。实际工程中，车辆以接近道路设计时速高速滚动时，轮胎对路面的作用远非静载荷可模拟。然而，现有路面有限元分析大多将轮载简化为0.70 MPa的均匀圆形静载，无法反映高速滚动下的真实动态行为。

我们以往做路面结构分析时，往往忽略了轮胎本身变形与路面变形的相互耦合——轮胎的动态变形会反过来影响接触应力的空间分布，这对高速公路沥青面层的疲劳寿命评估至关重要。

二、ABAQUS轮胎-路面耦合有限元建模

2.1 路面结构模型

研究以某高速公路路面为原型，建立四层路面结构ABAQUS有限元模型：沥青混凝土面层（AC-13）、基层（ATB-25）、底基层和土基。建模时假设各层材料均匀连续同性，相邻层完全粘结，各层位移变形最小化。模型坐标X轴为行驶方向，Y轴为路面横向，Z轴负方向为重力方向。

图1：四层高速公路路面ABAQUS有限元模型（X轴为行驶方向，Y轴为路面横向，Z轴负方向为重力方向）

图1展示了四层路面结构的ABAQUS网格模型，路面底面及两侧施加相应的位移约束。

2.2 轮胎有限元模型

轮胎采用Mooney-Rivlin超弹性本构模型（适用中小应变），轮辋简化为刚性体，胎圈附着于轮辋。轮辋中心Y方向位移为0，X、Z方向位移受约束，模拟轮胎的真实约束边界条件。轮胎网格采用精细的应变率相关单元，以保证高速滚动时的计算精度。

图2：轮胎-路面耦合系统建模流程（ABAQUS有限元软件建立轮胎与路面有限元模型）

图2给出了完整的轮胎-路面耦合系统ABAQUS建模流程：首先在ABAQUS/Standard中分别建立轮胎与路面的有限元模型，然后通过刚性平面模拟非铺装路面的不平整效应，最后在ABAQUS/Explicit中施加速度边界条件进行显式动力学求解。

2.3 SUBMODEL耦合策略

研究采用三级子模型策略实现高效的耦合仿真：SUBMODEL1为全尺度轮胎-路面耦合模型（MODEL1），用于获取边界条件；SUBMODEL2提取轮胎-路面接触应力分布，代入路面子模型计算路面响应；SUBMODEL3将路面简化为刚性体，单独分析轮胎的动力学行为。三级子模型相互校验，保证计算精度。

标准工况设置为：轮胎行驶速度v=60 km/h，路面摩擦系数f=0.9（新建沥青混凝土路面）。

三、关键仿真结果

3.1 轮胎-路面接触应力分布

图3展示了t=0.0 s至t=0.8 s标准工况下轮胎-路面动态接触过程。在0.8 s内，轮胎完成与路面的完整接触-压实-脱离循环，接触区压力分布呈现明显的非对称性——轮胎前缘压力高于后缘，这是高速滚动区别于静载的典型特征。

图3：标准工况下轮胎-路面相互作用过程（t = 0.0 s至t = 0.8 s）

图4：标准工况下轮胎中心垂向加速度时程曲线

图5进一步给出了MODEL2与SUBMODEL2计算的接触应力空间分布对比。结果表明，三向非均匀分布的空间分布规律和数值大小基本一致，MODEL2可以有效施加三向非均匀分布的接触应力载荷。

图5：MODEL2与SUBMODEL2接触应力空间分布对比（三向非均匀分布）

图6：纵向切向接触应力CSHEAR与法向接触压力CPRESS的对比分布

图6重点对比了纵向切向接触应力CSHEAR与法向接触压力CPRESS的幅值。结果显示，CSHEAR的极值达到CPRESS的25%~30%。我们以往在路面有限元模型中常常忽略切向应力，只考虑垂向压力，这个比例关系告诉我们：切向接触应力在路面面层力学响应分析中绝不可忽视。

3.2 轮胎振动特性

图4给出了轮胎中心垂向加速度时程曲线。由SUBMODEL2提取的初始条件导入SUBMODEL3后，轮胎的振动特性清晰显现：在60 km/h行驶速度下，轮胎垂向加速度呈现明显的周期性特征，固有频率成分可通过后续功率谱密度（PSD）分析提取，用于评估轮胎-路面耦合振动对行车舒适性的影响。

3.3 路面结构力学响应

图7对比了f=0.9（考虑CSHEAR）与f=0.0（忽略CSHEAR，仅施加坡向均布垂向应力）两种工况下的路面法向应力分布。结果表明：CSHEAR对表面层的力学响应影响显著，距路面表面越近，影响越显著。当不考虑CSHEAR时，路面表面垂向法向应力S33接近CPRESS（约0.73 MPa）；加入CSHEAR后，S33的空间分布发生显著改变，纵向法向应力S11和横向法向应力S22的极值均有所增大，对路面疲劳设计提出了更严格的要求。

图7：S11（纵向）、S22（横向）、S33（垂向）法向应力空间分布（f=0.9 vs f=0.0）

四、我们提供的服务

本研究成果可广泛用于以下工程仿真场景：

高速公路沥青路面结构优化设计（考虑真实三向接触应力的疲劳寿命评估）。

车辆-路面耦合系统动力学分析（不同车速、轴重、胎压组合工况的参数化研究）。

轮胎有限元建模与超弹性材料参数标定（Mooney-Rivlin模型、neo-Hookean模型的试验-仿真联合标定）。

路面施工质量对行车动力响应的影响评估（摩擦系数变化对接触应力分布的敏感度分析）。

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