스몰 오버랩 정면 충돌에서 타이어 파열 시뮬레이션: 차량 동역학에 미치는 영향

스몰 오버랩 정면 충돌에서 차량의 외부 모서리는 크러시 존 구조로 잘 보호되지 않아 주요 하중 전달 경로가 됩니다. 타이어와 휠, 서스펜션 시스템이 보통 충격력을 받습니다. 강성 방벽에 부딪힌 타이어는 보통 타이어와 휠의 파열과 함께 디비딩(de-beading)으로 공기 밀봉을 잃으며 터집니다. 타이어 파열은 차량 서스펜션의 운동학과 변형에 영향을 미치고, 결과적으로 차량의 충돌 성능에 영향을 줍니다.

타이어 파열로 인한 압력 감소를 고려하는 것은 차량의 충돌 반응을 정확하게 예측하는 데 중요합니다. 따라서 재료 손상 및/또는 타이어와 림 사이의 밀봉 손실로 인한 디비딩으로 인한 타이어 파열을 모델링하는 것이 스몰 오버랩 충돌 이벤트를 재현하는 데 핵심입니다. 이 문서에서는 충돌 시뮬레이션에서 타이어 파열을 고려하기 위한 Abaqus에서의 타이어 유한 요소 모델링을 제시합니다.

타이어 모델링

첫 번째 단계는 2차원 축대칭 타이어 팽창 모델을 생성하는 것입니다. 이에는 축대칭 솔리드 요소를 사용한 타이어 트레드와 사이드월 모델링, 임베디드 축대칭 표면 요소를 사용한 타이어 벨트와 카카스 모델링, 축대칭 쉘 요소를 사용한 휠 모델링이 포함됩니다.

두 번째 단계는 팽창 분석이 끝날 때 2차원 모델을 360도 회전시켜 대칭 3차원 타이어 모델을 생성하는 것입니다. Abaqus/Standard의 *SYMMETRIC MODEL GENERATION 옵션의 "FILE NAME" 매개변수를 사용하면 확장자 .axi를 가진 3차원 모델이 생성됩니다. 이 파일에는 노드, 요소, 섹션 정의가 포함됩니다.

타이어 파열 모델링

타이어 파열을 재현하는 핵심 기능은 두 가지 파열 메커니즘을 모델링하는 것입니다: 타이어와 휠 림의 재료 파열, 그리고 디비딩. 따라서 3차원 타이어 모델에 다음 수정이 필요합니다: 타이어 사이드월과 휠 림을 디비딩을 고려하기 위해 분리 가능한 두 개의 개별 부품으로 모델링해야 합니다. 스틸 비드는 제안된 타이어 공기압으로 팽창했을 때 타이어가 온전하게 유지될 수 있도록 충분한 저항과 마찰을 갖도록 모델링해야 합니다. 여기서는 3D 빔 요소를 사용하여 타이어 비드를 모델링합니다.

타이어 트레드와 사이드월의 재료 특성은 충격 시 고무 재료의 파괴적 손상을 포착할 수 있어야 하며, 이로 인해 타이어에 개구부가 생겨 공기가 외부로 빠져나가 타이어가 파열되게 합니다. 충격 각도와 속도 같은 조건에 따라 두 메커니즘 중 하나가 타이어 파열을 유발할 수 있습니다. 재료 파열과 디비딩 중 어느 것이 먼저 발생하든 타이어 파열과 급격한 타이어 압력 강하, 차량 서스펜션 시스템의 지지력 상실이 뒤따릅니다.

Abaqus 유체 캐비티 기능을 사용하여 타이어 내부 압력을 모델링합니다. 타이어와 림 안쪽을 덮고 타이어와 림의 내부 노드 레이어와 노드를 공유하는 표면 요소를 사용하여 닫힌 부피를 정의합니다. 타이어 압력은 닫힌 부피와 관련이 있습니다. 재료 고장을 고려하기 위해 트레드와 사이드월의 고무 재료 특성에 초탄성 재료와 손상 기준을 함께 사용합니다. 재료 손상과 요소 제거 시, 고무 재료 아래의 표면 요소들이 압력 차이에 의해 타이어 외부로 밀려나 자유로워집니다.

유체 캐비티 부피가 빠르게 증가하고 부피가 증가함에 따라 타이어 압력이 떨어집니다. 디비딩을 고려하기 위해 타이어가 림과 접촉하는 영역을 다음과 같이 모델링합니다: 타이어 사이드월에 부착된 림의 표면 요소 링을 더 미세한 메쉬로 재메싱하여 유체 캐비티의 닫힌 부피에 두 개의 자유 노드 레이어를 생성합니다. 무시할 수 있는 재료 강성을 가진 두 개의 쉘 요소 링을 추가하여 두 표면 요소 링과 노드를 공유합니다. 타이어와 림이 분리되지 않았을 때 자유 노드를 제자리에 유지하기 위해 두 쉘 요소 링과 림 사이에 접촉을 정의합니다.

자유 노드는 더 나은 접촉 조건을 위해 림과 같은 위치에 있지 않도록 오프셋됩니다. 디비딩이 발생하면 자유 노드가 개구부를 통해 자유롭게 이동하여 부피를 늘리고 타이어 압력을 낮춥니다. 빨간 선은 타이어와 림 사이의 간격을 메우는 하부 쉘 요소가 있는 표면 요소에 해당하며, 이로써 유체 캐비티를 위한 닫힌 부피를 만듭니다.

시뮬레이션 결과

수직 충격, 측면 충격, 45도 충격이 시뮬레이션되었습니다. 수직 충격에서 충격자가 타이어 트레드에 접촉하면 림도 타이어 트레드에 접촉하는 지점에서 고무 재료가 손상됩니다. 타이어 파열이 급격한 압력 강하와 함께 뒤따릅니다. 측면 충격에서 충격자가 타이어 사이드월에 접촉하면 사이드월이 림에서 분리됩니다. 타이어 파열이 급격한 압력 강하와 함께 뒤따릅니다. 45도 충격에서는 재료 손상과 디비딩이 모두 발생하여 타이어 감압이 일어납니다.

재료 고장은 약 4msec에 먼저 발생했고, 반대편에서 림이 충격으로 인해 타이어 월보다 더 빠르게 움직이면서 약 4.5msec에 디비딩이 뒤따랐습니다. 시뮬레이션에서 유체 캐비티 압력 곡선을 얻었습니다. 재료 손상 후에도 공기 유출 속도가 충격으로 인한 압력 증가보다 여전히 낮아 압력이 계속 증가하는 것으로 나타났습니다. 하지만 0.5msec 후 압력이 떨어지기 시작합니다. 타이어는 약 5.5msec에 완전히 수축합니다. 파열 과정은 재료 고장이 처음 나타난 시점부터 압력이 0이 될 때까지 총 1.5msec가 걸립니다.

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