スモールオーバーラップ正面衝突におけるタイヤ破損シミュレーション：車両動力学への影響

スモールオーバーラップ正面衝突では、クラッシュゾーン構造によって十分に保護されていない車両の外側エッジが、主要な荷重伝達経路となります。タイヤとホイール、サスペンションシステムは通常、衝撃力を受けます。剛性バリアに衝突したタイヤは通常、タイヤとホイールの破裂とともにバーストし、デビーディングによりエアシールを失います。タイヤバーストは、車両サスペンションの運動学と変形に影響し、結果として車両の衝突性能に影響を与えます。

タイヤバーストによる圧力低下を考慮することは、車両の衝突応答を正確に予測するために重要です。したがって、材料損傷および/またはタイヤとリム間のシール喪失によるデビーディングによって引き起こされるタイヤバーストをモデリングすることは、スモールオーバーラップ衝突イベントを再現する鍵となります。この記事では、衝突シミュレーションでタイヤバーストを考慮するためのAbaqusにおけるタイヤの有限要素モデリングを紹介します。

タイヤモデリング

最初のステップは、二次元軸対称タイヤ膨張モデルを作成することです。これには、軸対象実体要素を用いたタイヤトレッドとサイドウォールのモデリング、埋め込み軸対象表面要素を用いたタイヤベルトとカーカスのモデリング、軸対象シェル要素を用いたホイールのモデリングが含まれます。

2番目のステップは、膨張解析の終了時に二次元モデルを360度回転させて、対称な三次元タイヤモデルを生成することです。Abaqus/Standardの*SYMMETRIC MODEL GENERATIONオプションの「FILE NAME」パラメータを使用すると、拡張子.axiの三次元モデルが作成されます。このファイルには、節点、要素、セクション定義が含まれます。

タイヤバーストのモデリング

タイヤバーストを再現する鍵となる機能は、2つの破壊メカニズムをモデリングすることです：タイヤとホイールリムの材料破裂、およびデビーディング。したがって、三次元タイヤモデルに以下の修正を加える必要があります：タイヤサイドウォールとホイールリムを2つの別個の部品としてモデリングし、デビーディングを考慮して分離を可能にします。スチールビードは、推奨タイヤ圧で膨張させた際にタイヤを保持するのに十分な抵抗と摩擦を持つようにモデリングする必要があります。ここでは、タイヤビードを3Dビーム要素でモデリングします。

タイヤトレッドとサイドウォールの材料特性は、衝撃時のゴム材料の破壊的損傷を捉え、タイヤに開口部を作って空気が外部に逃げてバーストすることを可能にする必要があります。衝撃角度や衝撃速度などの条件によって、どちらのメカニズムがタイヤバーストを引き起こすかが決まります。材料破裂とデビーディングのどちらが先に起こるかに関わらず、タイヤバーストとタイヤ圧力の急速な低下、車両サスペンションシステムへの支持喪失が続きます。

Abaqusの流体キャビティ機能を使用してタイヤ内部圧力をモデリングします。タイヤとリムの内側を覆い、タイヤとリムの内側の節点層と節点を共有する表面要素を使用して閉じた体積を定義します。タイヤの圧力はこの閉じた体積に関連付けられます。材料破壊を考慮するために、トレッドとサイドウォールのゴム材料特性には、損傷基準を伴う超弾性材料を使用します。材料損傷と要素除去により、ゴム材料の下にある表面要素が圧力差によってタイヤ外部に押し出される自由状態になります。

流体キャビティ体積が急速に増加し、体積増加に伴いタイヤ圧力が低下します。デビーディングを考慮するため、タイヤがリムと接触している領域を以下のようにモデリングします：タイヤサイドウォールに接続されているリム上の表面要素リングをより細かいメッシュで再メッシュ化し、流体キャビティの閉じた体積上に2層の自由節点を作成します。無視できる材料剛性を持つ2つのリングシェル要素を追加し、2つの表面要素リングと節点を共有させます。これらのシェル要素リングとリムの間に接触を定義し、タイヤとリムが分離していないときに自由節点を所定位置に保持します。

自由節点は、より良い接触条件のためにリムと同じ位置にならないようオフセットされます。デビーディングが発生すると、自由節点は開口部を自由に通過できるため、体積が大きくなりタイヤが減圧します。赤線は、タイヤとリムの間の隙間を閉じる基礎シェル要素を持つ表面要素に対応し、流体キャビティの閉じた体積を形成します。

シミュレーション結果

垂直衝撃、横方向衝撃、45度衝撃をシミュレートしました。垂直衝撃では、インパクターがタイヤトレッドのタイヤトレッド部分に接触すると、リムもタイヤトレッドに接触している箇所でゴム材料が損傷します。タイヤバーストが続き、圧力が急速に低下します。横方向衝撃では、インパクターがタイヤサイドウォールに接触すると、サイドウォールがリムから分離します。タイヤバーストが続き、圧力が急速に低下します。45度衝撃では、材料損傷とデビーディングの両方が発生し、タイヤ減圧につながります。

材料破壊が約4ミリ秒で最初に発生し、反対側ではリムが衝撃によりタイヤウォールより速く移動するため、約4.5ミリ秒でデビーディングが続きます。シミュレーションから流体キャビティ圧力曲線が得られます。材料損傷後も空気の逃げる速度が衝撃による圧力上昇よりまだ低いため、圧力は上昇し続けます。しかし0.5ミリ秒後から圧力が低下し始めます。タイヤは約5.5ミリ秒で完全にデフレートします。バーストプロセスは、材料破壊の最初の出現からゼロ圧力まで合計1.5ミリ秒かかります。

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