一种降低轮胎风阻的轮胎外轮廓结构的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种降低轮胎风阻的轮胎外轮廓结构的设计方法，包括以下步骤：步骤一、建立初始轮胎模型，步骤二、构建初始轮胎风阻计算模型，步骤三、设计试验方案，步骤四、根据步骤三中的试验数据构建轮胎外轮廓参数与其气动阻力系数值间的函数关系，并对其精度进行验证；步骤五、采用优化算法获得气动阻力系数值最小时的轮胎外轮廓参数。有益效果：本发明专利技术能有效避免在轮胎外轮廓结构设计中存在的盲目性问题，进而缩短设计周期，提升效率，与此同时对于轮胎风阻性能的改进也起到了一定的指导作用。

【技术实现步骤摘要】
一种降低轮胎风阻的轮胎外轮廓结构的设计方法
本专利技术涉及一种轮胎外轮廓结构的设计方法，特别涉及一种可以降低轮胎风阻的轮胎外轮廓结构的设计方法，属于轮胎

技术介绍
随着全球气候变暖、能源短缺等问题日益加重，世界对环保的重视度不断提高，汽车作为出行工具必将成为节能减排的重要一环，各大车企急需努力提高车辆的能源效率以解决汽车环保问题。汽车在高速行驶过程中，气动阻力引起的燃油消耗率最高可占50％以上，而车轮引起的气动阻力占整车的25％左右。因此，如何形成高效的低风阻轮胎设计方法，实现轮胎风阻的减小，是摆在轮胎研究工作者和汽车开发者面前的一个重要问题。运动汽车周围气流流过轮胎时，会产生气流分离，形成涡流，从而增加了轮胎的气动阻力。轮胎外轮廓设计直接影响着周围气流的运动，从而对轮胎气动阻力具有决定性的影响。相同型号的轮胎，由于其外轮廓设计的不同会导致汽车空气阻力系数超过0.009的变化，因此，轮胎外轮廓的设计也是低风阻汽车设计的重要环节。因此，深入研究轮胎外轮廓的布置形式进而指导轮胎外轮廓的结构设计则显得尤为必要。而目前，国内外学者对于轮胎外轮廓结构的改进多集中于从众多试验方案中寻找性能最优的方案作为改进方案，或者仅仅是对轮胎外轮廓参数的单一设计参数影响进行分析，这就导致在改进过程中轮胎外轮廓结构参数的选取受限于所设计的试验方案，并存在很大的不确定性和盲目性，也会造成改进效率低等问题，因此当下亟需一种能够有效降低轮胎气动阻力的轮胎外轮廓设计方法。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种降低轮胎风阻的轮胎外轮廓结构的设计方法，所述方法能够有效避免在轮胎外轮廓结构设计过程中存在的盲目性问题，可有效降低轮胎外轮廓结构的设计周期，进而提升改进效率，与此同时也能够改善轮胎的风阻性能，提升驾驶人员的乘车安全。技术方案：一种降低轮胎风阻的轮胎外轮廓结构的设计方法，包括以下步骤：步骤一、建立初始轮胎模型，根据所选轮胎型号的外轮廓参数的初始值绘制轮胎的三维模型；步骤二、构建初始轮胎风阻计算模型，根据上述轮胎的三维模型构建轮胎的风阻计算模型，并进行仿真分析，获得初始轮胎的气动阻力系数值；步骤三、设计试验方案，以轮胎外轮廓参数为变量，设定变量的取值范围，以胎面处轮胎整体所受的气动阻力系数作为目标响应值；通过统计学抽样试验设计方法对轮胎外轮廓参数进行方案设计，对不同外轮廓参数下的模型进行轮胎风阻仿真分析，获取各外轮廓参数下的气动阻力系数值；步骤四、根据步骤三中的试验数据构建轮胎外轮廓参数与其气动阻力系数值间的函数关系，并对其精度进行验证；步骤五、采用优化算法获得气动阻力系数值最小时的轮胎外轮廓参数。进一步，所述步骤一中轮胎外轮廓参数包括上胎侧高、行驶面宽、胎肩过渡半径和胎面弧半径。进一步，所述步骤二中轮胎风阻计算模型构建方法为流体动力学的计算方法，构建轮胎与路面虚拟风洞三维模型，将三维模型导入网格划分软件，生成轮胎周围的流体域网格和边界层网格，利用计算流体动力学分析软件设置速度入口、压力出口和轮胎壁面运动方式，实现轮胎气动风阻的仿真分析。进一步，所述步骤三中轮胎外轮廓参数的取值范围是上胎侧高为断面高的0.47-0.63，行驶面宽为断面宽的0.73-0.9，胎肩过渡半径为15-45mm,胎面弧半径根据轮胎型号设置取值范围。进一步，所述统计学抽样试验设计方法为拉丁超立方试验设计方法；通过统计学设计和数据分析，筛选出轮胎外轮廓参数对气动阻力系数值有显著影响的关键参数。进一步，所述步骤四中的函数关系为根据轮胎外轮廓参数和气动阻力系数值构建回归函数，所使用的回归函数为Kriging近似模型。进一步，所述步骤四中的精度进行验证方法为对模型线性回归后，采用决定系数R2检验Kriging近似模型的精度，决定系数越接近1说明模型精度越高，并将预测值与实际值对比，验证其有效性。进一步，所述决定系数R2的表达式为：式中，n为检验模型精度的数据点数量；为第i个响应的近似模型预测值；yi为第i个响应的仿真值；为平均值。进一步，所述步骤五中的优化算法为模拟退火优化方法，通过对轮胎外轮廓参数进行非线性优化设计，获得气动阻力系数值最小时的轮胎外轮廓参数。所述模拟退火优化算法首先设计温度更新函数式：tk＝t0/ln(1+k)(2)式中为第k步时温度，t0为初始温度；算法中状态接受函数设计为：式中ΔE＝Ei-Ej,Ei为算法处于当前解状态下的能量函数，Ej为待接受解状态的能量函数；能量函数为目标函数值；待接受解按区间搜索方式产生，具体方法为以小步长在当前解邻域内搜索，新解获得方法为：Xj＝Xi+lΔ(4)式中Xi为当前解，Xj为新解，l为循环次数，Δ为搜索步长；模拟退火优化算法具体步骤如下：Step1：设置算法参数，随机产生初始解X0，将其设置为当前解Xi＝X0；Step2：计算当前解的能量函数E(Xi)；按式(4)产生新解Xj；Step3：计算新解的能量函数E(Xj)；并计算能量差ΔE；Step4：根据ΔE按式(3)判断是否接受新解；若接受，更新当前解，即Xi＝Xj，转Step6；否则转Step5；Step5：判断是否达到搜索次数上限，若满足，转Step8；否则，更新循环次数即l＝l+1，转Step2；Step6：更新温度循环步数k＝k+1，按式(2)更新温度；Step7：判断温度是否到达最低温度，若未达到转Step2；否则转Step8；Step8：结束计算。有益效果：本专利技术能有效避免在轮胎外轮廓结构设计中存在的盲目性问题，进而缩短设计周期，提升效率，与此同时对于轮胎风阻性能的改进也起到了一定的指导作用。附图说明图1为本专利技术的设计流程图；图2为本专利技术轮胎外轮廓的结构示意图；图3为本专利技术轮胎虚拟风洞模型的示意图；图4为本专利技术Kriging近似模型的验证图；图5为本专利技术气动阻力系数Cd与胎肩过渡半径R和胎面半径R2的Kriging模型；图6为本专利技术气动阻力系数Cd与行驶面宽L2和上胎侧高H的Kriging模型；图7为本专利技术气动阻力系数Cd与胎面半径R1和上胎侧高H的Kriging模型；图8为本专利技术气动阻力系数Cd与胎肩过渡半径R和上胎侧高H的Kriging模型；图9为本专利技术优化前后的轮胎外轮廓布置形式对比图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，一种降低轮胎风阻的轮胎外轮廓结构的设计方法包括以下步骤：步骤一、建立初始轮胎模型，根据所选轮胎型号的外轮廓参数的初始值绘制轮胎的三维模型；本实施例以185/65R15型轮胎的轮胎为例，其胎面宽度为185mm，断面高为121mm。依据上胎侧高H＝57.06mm，行驶面宽L2＝67本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种降低轮胎风阻的轮胎外轮廓结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、建立初始轮胎模型，根据所选轮胎型号的外轮廓参数的初始值绘制轮胎的三维模型；/n步骤二、构建初始轮胎风阻计算模型，根据上述轮胎的三维模型构建轮胎的风阻计算模型，并进行仿真分析，获得初始轮胎的气动阻力系数值；/n步骤三、设计试验方案，以轮胎外轮廓参数为变量，设定变量的取值范围，以胎面处轮胎整体所受的气动阻力系数作为目标响应值；通过统计学抽样试验设计方法对轮胎外轮廓参数进行方案设计，对不同外轮廓参数下的模型进行轮胎风阻仿真分析，获取各外轮廓参数下的气动阻力系数值；/n步骤四、根据步骤三中的试验数据构建轮胎外轮廓参数与其气动阻力系数值间的函数关系，并对其精度进行验证；/n步骤五、采用优化算法获得气动阻力系数值最小时的轮胎外轮廓参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种降低轮胎风阻的轮胎外轮廓结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、建立初始轮胎模型，根据所选轮胎型号的外轮廓参数的初始值绘制轮胎的三维模型；
步骤二、构建初始轮胎风阻计算模型，根据上述轮胎的三维模型构建轮胎的风阻计算模型，并进行仿真分析，获得初始轮胎的气动阻力系数值；
步骤三、设计试验方案，以轮胎外轮廓参数为变量，设定变量的取值范围，以胎面处轮胎整体所受的气动阻力系数作为目标响应值；通过统计学抽样试验设计方法对轮胎外轮廓参数进行方案设计，对不同外轮廓参数下的模型进行轮胎风阻仿真分析，获取各外轮廓参数下的气动阻力系数值；
步骤四、根据步骤三中的试验数据构建轮胎外轮廓参数与其气动阻力系数值间的函数关系，并对其精度进行验证；
步骤五、采用优化算法获得气动阻力系数值最小时的轮胎外轮廓参数。


2.根据权利要求1所述的降低轮胎风阻的轮胎外轮廓结构的设计方法，其特征在于：所述步骤一中轮胎外轮廓参数包括上胎侧高、行驶面宽、胎肩过渡半径和胎面弧半径。


3.根据权利要求1所述的降低轮胎风阻的轮胎外轮廓结构的设计方法，其特征在于：所述步骤二中轮胎风阻计算模型构建方法为流体动力学的计算方法，构建轮胎与路面虚拟风洞三维模型，将三维模型导入网格划分软件，生成轮胎周围的流体域网格和边界层网格，利用计算流体动力学分析软件设置速度入口、压力出口和轮胎壁面运动方式，实现轮胎气动风阻的仿真分析。


4.根据权利要求1所述的降低轮胎风阻的轮胎外轮廓结构的设计方法，其特征在于：所述步骤三中轮胎外轮廓参数的取值范围是上胎侧高为断面高的0.47-0.63，行驶面宽为断面宽的0.73-0.9，胎肩过渡半径为15-45mm,胎面弧半径根据轮胎型号设置取值范围。


5.根据权利要求1所述的降低轮胎风阻的轮胎外轮廓结构的设计方法，其特征在于：所述统计学抽样试验设计方法为拉丁超立方试验设计方法；通过统计学设计和数据分析，筛选出轮胎外轮廓参数对气动阻力系数值有显著影响的关键参数。


6.根据权利要求1所述的降低轮胎风阻的轮胎外轮廓结构的设计方法，其特征在于：所述步骤四中的函数关系为根据轮胎外轮廓参数和气动阻力系数值构建回归函数，所使用的回归函数为Kriging近似模型。

【专利技术属性】
技术研发人员：周海超，姜震，夏琦，翟辉辉，陈青云，王国林，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32