Abaqus jest oprogramowaniem MES ogólnego przeznaczenia, ale dzięki bardzo dobremu przystosowaniu do rozwiązywania zagadnień nieliniowych i pewnym specjalnym technikom modelowania, nadaje się doskonale do analiz opon. Dostępne są nawet narzędzia przeznaczone konkretnie do tych zagadnień.
Techniki SMG i SRT
Dwie specjalne techniki modelowanie szczególnie warte uwagi w kontekście analiz opon to Symmetric Model Generation (SMG) i Symmetric Results Transfer (SRT). Pierwsza z nich pozwala uzyskać model trójwymiarowy poprzez obrót modelu osiowosymetrycznego, obrót periodycznego segmentu 3D (symetria cykliczna) lub odbicie lustrzane modelu korzystającego z symetrii planarnej. Druga rozszerza tą możliwość o przenoszenie wyników z modelu osiowosymetrycznego do trójwymiarowego lub z częściowego modelu 3D do pełnego modelu 3D. Dzięki tym technikom (dostępnym za pośrednictwem słów kluczowych o tych samych nazwach) możliwe jest podzielenie wielokrokowej analizy opony na etapy liczone przy pomocy modeli o różnych stopniach uproszczenia. Takie podejście może mieć następującą postać:
- Model 2D osiowosymetryczny połowy przekroju opony – symulacja montażu felgi i pompowania opony
- Model 3D połowy przekroju opony – symulacja kontaktu opony z podłożem
- Model 3D całej opony – symulacja toczenia opony
SMG i SRT są używane między etapami 1 i 2 (obrót) oraz 2 i 3 (odbicie). Dzięki temu etapy dające się policzyć na uproszczonych modelach (osiowosymetrycznym lub z 3D z wykorzystaniem symetrii planarnej) są liczone znacznie szybciej a model jest rozbudowywany dopiero przed analizą, która tego wymaga.
Alternatywne podejście, jeśli uwzględniany jest bieżnik:
- Model 2D osiowosymetryczny całego przekroju opony
- Model 3D periodycznego segmentu opony – nałożenie bieżnika, symulacja montażu felgi i pompowania opony
- Model 3D całej opony – symulacja kontaktu opony z podłożem i toczenia opony
W tym przypadku między etapami 1 i 2 używana jest tylko technika SMG (nie ma potrzeby transferu wyników) natomiast między etapami 2 i 3 używane jest SMG i SRT.
Warto również dodać, iż SMG przy obracaniu modelu osiowosymetrycznego pozwala wygenerować elementy cylindryczne (wydajne na obwodzie poza obszarem kontaktu) połączone bezpośrednio z elementami ogólnego przeznaczenia (w obszarze kontaktu).
Analizy SST
Bezpośrednie symulowanie toczenia się opony po gładkim podłożu wiązałoby się z istotnym kosztem obliczeniowym. Dzięki analizom typu Steady-State Transport (SST), możliwe jest zasymulowanie toczenia przy pomocy mieszanego podejścia, gdzie obrót ciała sztywnego jest opisany w przestrzeni eulerowskiej a deformacja mierzona względem tego obracającego się ciała sztywnego jest opisana w przestrzeni lagrange’owskiej. Wymagane są tzw. streamlines – trajektorie przepływu materiału przez siatkę. Technika SMG pozwala je wygenerować z modelu osiowosymetrycznego lub periodycznego segmentu 3D. W analizach SST można uwzględniać m.in. lepkosprężystość, efekt Mullinsa, pełzanie i plastyczność, w tym z zależnością od szybkości odkształceń.
Dodatkowo, dzięki technice Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE), możliwe jest modelowanie zużycia bieżnika opony z wykorzystaniem subrutyny UMESHMOTION. Warto przy tym dodać, iż w Abaqus 2024 HF1 wprowadzona została wbudowana implementacja modelu zużycia ściernego Archarda a od wersji 2024 HF2 dostępna jest też dla solvera explicit.
Wtyczka Tire Wizard
Do Abaqus/CAE dostępna jest wtyczka Tire Wizard, którą można pobrać ze strony Dassault Systemes Knowledge Base. Wtyczka ta automatyzuje tworzenie obróconych i odbitych (techniki SMG i SRT) modeli opon oraz definiowanie analiz SST dla opon. Jest to wygodne narzędzie ułatwiające korzystanie z metod opisanych wyżej.
Modelowanie zbrojenia opony
Abaqus posiada specjalną funkcję do uproszczonego modelowania zbrojenia w różnych konstrukcjach. Tzw. rebar layers to warstwy zbrojenia definiowane dla przekrojów elementów powierzchniowych (powłoki, membrany i elementy powierzchniowe bez sztywności). Nie są one modelowane bezpośrednio - właściwości zbrojenia są rozprowadzane tworząc równoważną warstwę o stałej grubości. Jednym ze sposobów definiowania geometrii wzmocnień jest lift equation, czyli równanie, dzięki któremu można zdefiniować rozstaw i orientację zbrojenia opony (tzw. kordu) w konfiguracji przed wulkanizacją. Abaqus następnie dokonuje mapowania tych właściwości na konfigurację po wulkanizacji.
Inne techniki przydatne w analizach opon
Poza wymienionymi wyżej specjalnymi metodami modelowania i symulacji, Abaqus posiada wiele innych funkcji i typów analiz, które mogą być przydatne w analizach opon.
Najazd opony na przeszkodę w drodze może być symulowany przy pomocy procedur dynamicznych, w których równania ruchu są rozwiązywane bezpośrednio metodą niejawną (implicit) lub jawną (explicit). Chociaż są to odrębne solvery (odpowiednio Abaqus/Standard i Abaqus/Explicit), dostępna jest technika importu umożliwiająca przechodzenie z jednego do drugiego pomiędzy kolejnymi etapami symulacji. Przykładowo, pierwsze podejście z wykorzystaniem SMG i SRT opisane wyżej można by rozbudować o czwarty etap, w którym tocząca się opona jest liczona w Abaqus/Explicit pod kątem najechania na przeszkodę.
Solver explicit daje również dostęp do techniki CEL (Coupled Eulerian-Lagrangian), w której część modelu stanowi domena eulerowska (materiał przepływa przez siatkę) a część domena lagrange’owska (siatka deformuje się razem z materiałem). CEL modeluje kontakt między tymi domenami. W ten sposób można zasymulować akwaplanację (jako czwarty etap drugiego podejścia z SMG i SRT opisanego wyżej dla opon z uwzględnionym bieżnikiem).
Dla opon często przeprowadzane są również analizy z grupy liniowej dynamiki - szczególnie Steady-State Dynamics (SSD). Ich wariant subspace-based (subspace projection) został opracowany specjalnie z myślą o analizach opon i pozwala sprawdzić odpowiedź częstotliwościową opony po symulacji kontaktu z podłożem. Z kolei analizy sprzężone strukturalno-akustyczne umożliwiają uwzględnienie efektów akustycznych w oponie napełnionej powietrzem.
Abaqus daje również dostęp do dwóch specjalnych technik modelowania – substruktur i submodelingu. Te pierwsze to tzw. superelementy – zredukowane macierze sztywności i masy wygenerowane z dowolnego modelu, które można wstawić do innego modelu (łącząc je z nim przy pomocy zachowanych węzłów) i stosować jak własne elementy skończone o liniowej odpowiedzi. Z kolei submodeling umożliwia przeprowadzanie obliczeń na fragmencie modelu z zagęszczoną siatką i opcjonalnie dodatkowymi szczegółami z wykorzystaniem importu wyników z rozwiązania modelu globalnego (zwykle ze stosunkowo rzadką siatką). W przypadku opon, submodelem może być obszar wokół strefy kontaktu z podłożem.
Abaqus wspiera również kosymulacje z oprogramowaniem FTire do modelowania opon. Nie należy także zapominać o szerokiej gamie elementów skończonych (w tym wspomniane cylindryczne czy osiowosymetryczne z uwzględnieniem skręcania), modeli materiałowych (np. wiele modeli hipersprężystości dla gum) czy sformułowań kontaktu. Abaqus jest szczególnie skuteczny w tych obszarach.
Czytelników zainteresowanych tematem modelowania opon w Abaqus serdecznie zapraszamy do wzięcia udziału w przeprowadzanych przez nas szkoleniach zaawansowanych z tego zakresu:
- Tire Analysis with Abaqus: Fundamentals,
- Tire Analysis with Abaqus: Advanced Topics.
Jesteś producentem opon? Chcesz obniżyć koszty prototypowania, zminimalizować ryzyka i zwiększyć zyski swojej firmy, skontaktuj się z nami > info.pl@technia.com
