Die korrekte Abbildung des Reifens ist eine der zentralen Herausforderungen in der Gesamtfahrzeugsimulation. Aufgrund der hohen Simulationsdauer werden in MKS-Berechnungen Reifenmodelle mit reduzierter Strukturmechanik verwendet, die effizient akkurate Ergebnisse liefern, sofern die Modellparameter korrekt gewählt wurden. Die Belegung dieser Parameter erfordert allerdings umfangreiche Prüfstandsversuche, welche mit hohen Kosten verbunden sind und aufgrund der fehlenden Übertragbarkeit bereits bei kleinen Änderungen des Reifens unbrauchbar werden. Im Bereich der Nutzfahrzeugreifen sind geeignete Reifenprüfstände nur schwierig oder überhaupt nicht verfügbar.

Neben der Nutzung kommerziell verfügbarer MKS-Reifenmodelle wie MF-Tyre, RmodK, CD-Tire oder F-Tire arbeitet das ITWM intensiv mit FEM-Reifenmodellen. FEM-Modelle bilden den Reifen direkt als kontinuumsmechanische Struktur ab. Dabei werden nichtlineare Materialmodelle für die verschiedenen Gummimischungen verwendet und die Stahl- bzw. Kordeinlagen von Gürtel und Karkasse in die Kontinuumselemente eingebettet. Aufgrund des hohen Detailgrades und der damit verbundenen Anzahl an Freiheitsgraden können FEM-Reifenmodelle nicht direkt in Gesamtfahrzeugsimulationen verwendet werden.

Am Fraunhofer ITWM werden FE-Reifenmodelle für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt:

Direkte Simulation von Einzel-Events

Dieser Punkt beinhaltet Anwendungen wie Schwellenüberfahrten, die je nach Belastungsintensität als Sonder- oder Missbrauchsereignis bewertet werden. Solche Simulationen spielen eine entscheidende Rolle zur Bewertung des Schädigungsverhaltens bei Benutzung von Niederquerschnittsreifen.
Bei der Missbrauchsimulation ist die bleibende Verformung der Felge von großer Bedeutung. Daher wird die Felge als flexibler Körper modelliert und mit Materialmodellen ausgestattet, die Plastizität abbilden können. Am Fraunhofer ITWM stehen Cluster aus Hochleistungsrechnern zur Verfügung, um diese Simulationen durch Parallelisierung effizient durchführen zu können.

Parametrierung von MKS-Reifenmodellen durch FEM-Berechnungen

Detaillierte FEM-Reifenmodelle werden verwendet, um teure und schwierige Reifenprüfstandsversuche virtuell durchzuführen. Dabei werden sowohl statische Größen wie Steifigkeiten in Lateral-, Longitudinal- und Vertikalrichtung bestimmt wie auch Handling-Berechnungen oder Schwellenüberfahrten durchgeführt. Ausgehend von einem validierten FEM-Reifenmodell werden so Modellparameter für MKS-Reifenmodelle abgeleitet. Hierbei kann auch die Übertragbarkeit der FEM-Reifenparameter ausgenutzt werden. So werden beispielsweise von einem FEM-Reifenmodell Modelle ähnlicher Reifen mit leicht unterschiedlicher Geometrie abgeleitet. Virtuelle Versuche liefern dann die MKS-Modellparameter der verschiedenen Reifen.

Modellreduktion

Die Abteilung MDF untersucht Methoden der Modellreduktion, um den Rechenaufwand detaillierter FE-Kontinuumsmodelle zu verringern. Dabei wird sowohl strukturelle Reduktion als auch nichtlineare mathematische Modellreduktion (POD) verwendet. So sollen Modelle entstehen, die das komplexe Verhalten eines FE-Reifens wiedergeben, dabei aber so wenige Freiheitsgrade besitzen, dass sie direkt in MKS-Berechnungen eingebunden werden können.