CDTire – Skalierbare Reifenmodelle für Vollfahrzeug-Simulationen

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM

 

CDTire unterstützt als Bestandteil moderner MKS-Programme den Entwicklungsingenieur in fast allen Analyseszenarien. Besonderes Augenmerk auf die Gürteldynamik und Interaktion mit 3D-Fahrbahnoberflächen erlaubt eine gute Vorhersagegenauigkeit - sowohl der transienten Amplituden als auch im Frequenzbereich, ohne dabei statische und stationäre Reifeneigenschaften zu vernachlässigen.

Während der Vollfahrzeug-, Achs- oder Prüfstandssimulation mit PKW-, LKW-, Nutzfahrzeug- oder Motorrad-Reifen werden dabei die Radnabenkräfte und -momente auf jedes Rad, sowie die Kontaktkräfte auf die Fahrbahn berechnet. Neben den 3D-Fahrbahnoberflächen können auch Prüfstandsanregungen mit bis zu 6 Richtungen pro Reifen modelliert werden.

CDTire ist eine Familie von Reifenmodellen mit unterschiedlicher Modellierung von Gürtel, Seitenwand und Lauffläche, um für verschiedene Anwendungen eine optimale Mischung aus Genauigkeit und rechnerischem Aufwand anzubieten. Der Reifeninnendruck kann pro Reifen angegeben und bei einigen MKS-Programmen auch während der Simulation verändert werden.

Es werden folgende Modelle angeboten:

CDTire/3D

  • Vollständig physikalische Schalenmodellierung für Gürtel und Seitenwand
  • Separate Modellierung aller funktionalen Elemente eines modernen Stahlgürtelreifens
  • Beinhaltet spezielle Modellierung von Karkasse, Bandage, Stahlgürtellagen, und Lauffläche
  • Ähnliche Deformationseigenschaften wie detaillierte FEM-Reifenmodelle
  • Spezielle Modellierung des Gürtel-Seitenwand-Felgenkontaktes beim Felgendurchschlag
  • Kontaktsimulation über Bürstenmodell
  • Vollständig skalierbar in räumlicher Auflösung und funktionalen Eigenschaften
  • Temperaturmodell und Reifenkavitätsmodell zuschaltbar
  • Ermöglicht Innendruck-Variationen während der Anwendung bis zu totalem Druckverlust
  • Anwendbar auf beliebigen 3D-Fahrbahnen
  • Adaptierbar auf Motorradreifen

CDTire/Realtime

  • Flexible massenbehaftete Gürtelmodellierung
  • Skalierbare Gürteldiskretisierung
  • Kontaktsimulation über Bürstenmodell
  • Echtzeitfähig
  • Geeignet für alle Anwendungen von Ride/Komfort bis zu Betriebsfestigkeit
  • Genauigkeit für Frequenzen bis 150 Hz
  • Anwendbar auf kurzwelligen Fahrbahnen in Fahrtrichtung wie Schlagleiste, Schlagloch und 2D-Fahrbahnen

CDTire/MF++

  • ist eine um die Temperaturabhängigkeit erweiterte Magic Formula zur Kopplung mit CDTire/Thermal
  • basiert auf MF 6.1 mit Relaxationslängenkonzept
  • enthält zusätzlich ein empirisches Modell zur Prädiktion der Reifenaufstandsfläche für unterschiedliche Fahrzustände
  • enthält Formelerweiterungen in faktorieller Form zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit
  • kann Standard MF Parametersätze als Basis für die Temperaturerweiterung benutzen

CDTire/Thermal

  • ist ein detailliertes thermodynamisches Modell zur Simulation der Temperaturentstehung und Temperaturausbreitung im Reifen
  • basiert auf einer Beschreibung durch finite Volumen
  • hat eine räumliche, frei skalierbare Auflösung in Umfangs- Querschnitts- und Dickenrichtung
  • verfügt über eine automatische Vernetzung basierend auf der Querschnittskontur
  • ist echtzeitfähig mit einem Echtzeitfaktor kleiner 0.1
  • ist einfach zu parametrisieren
  • kann mit den CDTire-Submodellen CDTire/3D, CDTire/MF++ und CDTire/Realtime gekoppelt werden

CDTire/NVH

  • ist eine Software-Toolbox zur Ableitung eines linearen Reifenmodells und basiert auf dem rollenden, abgeplatteten Reifenzustand von CDTire/3D
  • kann für Modalanalysen und den Import des linearen Modells in gängige NVH-Tools benutzt werden
  • kann die Straßenanregung alternativ über ein lokal aufgelöstes Kontaktmodell oder eine Poster-Anregung realisieren
  • kann das lineare Modell sowohl als A,B,C,D Matrizen (1. Ordnung) oder als M,C,K Matrizen (2. Ordnung) exportieren
  • kann alternativ direkt die Übertragungsfunktionen im Frequenzbereich exportieren

CDTire/Legacy

  • CDTire20
  • CDTire30
  • CDTire40
  • CDTireMC (Motorrad-Reifenmodell)

Die alten CDTire Submodelle werden weiterhin unterstützt aber nicht mehr weiterentwickelt.
CDTire30 kann direkt durch die Offline-Variante von CDTire/Realtime ersetzt werden.
CDTire40 kann weitestgehend durch CDTire/3D adaptiert werden, indem die materielle Seitenwand durch das entsprechende analytische Membranmodel von CDTire40 ersetzt wird.
CDTireMC kann ebenfalls aus CDTire/3D erzeugt werden, indem die motorradtypischen Stahlgürtelkonstruktionen abgebildet werden.

Für eine detaillierte Beschreibung gibt es hier das CDTire-Anwenderhandbuch:


CDTire – Typische Applikationen

  • Komfortuntersuchungen auf digitalisierten Fahrbahnen oder diskreten Hindernissen (Schwellen)
  • Lebensdauervorhersage auf digitalisierten Fahrbahnen
  • NVH Gesamtfahrzeuganalysen im Zeit- und Frequenzbereich
  • Parkmanöver mit Fokus auf Lenkmoment
  • Prüfstandssimulation mit fahrbahngeführten Anregungen in allen 6 Richtungen pro Reifen
  • Fahrdynamikuntersuchungen auf flacher und rauer Fahrbahn
  • Aktive Sicherheit (ABS, ESP,…)
  • Variation des Reifeninnendrucks
  • Sonderereignisse mit Felgendurchschlag (auch mit flexibler Felge)
  • Echtzeitanwendungen wie MIL, SIL, HIL

CDTire – Parameter und Parameteridentifikation

Um einen real existierenden Reifen durch CDTire darzustellen, müssen entsprechende Modellparameter angepasst werden. Dazu werden sowohl zugängliche Reifenkonstruktionsdaten wie auch Reifenmessungen verwendet.

In dem Parameter-Identifikations-Tool CDTire/PI wurde der gesamte Parametrierungsprozess über eine GUI-gestützte Softwarelösung abgebildet. Dieser Prozess beinhaltet:

  • den Import der entsprechenden Messdaten verschiedener Formate
  • das automatische Aufsetzen und die Durchführung der entsprechenden Reifensimulationen
  • die vergleichende Bewertung zwischen Messung und Simulation über visuelle Inspektion und die Verwendung verschiedener Vergleichsmaße
  • automatische Parameteroptimierung durch verschiedene Optimierungsverfahren


Jede CDTire-Distribution enthält als Standardsatz die Parameterdateien eines 195/65 R15 Reifens.
Zusätzlich bietet das Fraunhofer ITWM die Parameteridentifikation als Dienstleistung an. Eine Liste der minimal benötigten Messungen finden Sie hier:

CDTire – Fahrbahnmodelle

Die Fahrbahnmodelle von CDTire beschreiben die Fahrbahnhöhe z und den lokalen fahrbahnseitigen Reibbeiwert als Funktion globaler x-y Koordinaten im Fahrbahnkoordinatensystem. Dieses Koordinatensystem kann ggf. über einen assoziierten Bodenkörper beliebig dynamisch bewegt werden. Folgende Modelle stehen zur Verfügung:

RSM 1000
Parametrische Hindernisse und 3D digitalisierte Fahrbahnen im einfachen ASCII-Format

RSM 1002
Trommelmodell (auch für Achsen)

RSM 1100
Anwenderprogrammierte Fahrbahn

RSM 2000
3D digitalisierte Fahrbahnen mit ggf. parametrierten Hindernissen,
optimiert für sehr große Datenmengen

RSM 3000

OpenCRG-Format


Systemvoraussetzungen

Unterstützte Simulationsplattformen:
- LMS Virtual.Lab Motion
- MSC.ADAMS
- SIMPACK
- Altair MotionSolve
- MATLAB & Simulink

Unterstützte Betriebssysteme:
- Windows (32-bit und 64-bit)
- Linux (32-bit und 64-bit)

Aktuelle Version:
CDTire R4.0.0
- Was ist neu bei R4.0.0 (PDF-Download)
- CDTire R4.0.0 Benutzerhandbuch (PDF-Download)



Veröffentlichungen

Gallrein, A., Baecker, M., Burger, M., Gizatullin, A.: An Advanced Flexible Realtime Tire Model and its Integration Into Fraunhofer's Driving Simulator, SAE Technical Paper 2014-01-0861, 2014.

Burger, M., Bäcker, M. Gallrein, A., Kleer, M.: Integration eines detaillierten, flexiblen Reifenmodells in den Fraunhofer Fahrsimulator, VDI-Berichte Nr. 2211, Reifen-Fahrwerk-Fahrbahn, 167ff, 2013.

Gallrein, A., Baecker, M., Gizatullin, A.: Structural MBD Tire Models: Closing the Gap to Structural Analysis - History and Future of Parameter Identification, SAE Technical Paper 2013-01-0630, 2013, doi:10.4271/2013-01-0630.

Gallrein, A., Bäcker, M.: Structural MBD Tire Models: Evolving from Spindle Load to Deformation Measurements, in: Proceedings of ECCOMAS Multibody Dynamics 2013.

Gallrein, A., Bäcker, M.: CDTire: State-of-the-Art Tire Models For Full Vehicle Simulation, Americas HyperWorks Technology Conference, 2012.

Weitere

Baecker, M., Gallrein, A., Hack, M., Toso, A.: A Method to Combine a Tire Model with a Flexible Rim Model in a Hybrid MBS/FEM Simulation Setup, SAE Int. SP-2307, 2011-01-0186, 2011.

Baecker, M., Gallrein, A., Haga, H.: A Tire Model for Very Large Tire Deformations and its Application in Very Severe Events, SAE Int. J. Mater. Manuf. 3(1): 142-151, 2010.

M. Baecker, A. Gallrein, H. Haga: Simulating Very Large Tire Deformations with CDTire, SAE 2009-01-0577, 2009.

M. Bäcker, R. Möller, M. Kienert, B. Bayram, M. Ozkaynak: Lastdatenermittlung für die rechnerische Lebensdauerabschätzung eines neuen Bustyps, MP Materials Testing 05/2009, Seite 309-316.

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