Simulation de la défaillance des pneus dans les collisions frontales à faible chevauchement : Impact sur la dynamique véhicule

Dans un impact frontal à faible chevauchement, les bords extérieurs du véhicule, qui ne sont pas bien protégés par les structures de zone de déformation, forment le principal chemin de portance de charge. Les pneus et les roues ainsi que le système de suspension sont généralement soumis à la force d'impact. Les pneus heurtant la barrière rigide éclatent généralement avec la rupture du pneu et de la roue ainsi que la perte de leur étanchéité à l'air par déboîtement. L'éclatement du pneu affecte la cinématique et la déformation de la suspension du véhicule et par conséquent affecte la performance de collision du véhicule.

Tenir compte de la baisse de pression due à l'éclatement du pneu est important pour une prédiction précise de la réponse du véhicule en collision. Par conséquent, modéliser l'éclatement du pneu causé par l'endommagement du matériau et/ou le déboîtement dû à la perte d'étanchéité entre le pneu et la jante est essentiel pour reproduire l'événement de collision à faible chevauchement. Cet article présente la modélisation par éléments finis des pneus dans Abaqus pour prendre en compte l'éclatement du pneu dans les simulations de collision.

Modélisation du pneu

La première étape consiste à créer un modèle d'inflation de pneu bidimensionnel axisymétrique. Cela inclut la modélisation de la bande de roulement et du flanc du pneu à l'aide d'éléments solides axisymétriques ; la modélisation des ceintures et de la carcasse du pneu avec des éléments de surface axisymétriques embarqués ; et la jante avec des éléments de coque axisymétriques.

La deuxième étape consiste à générer un modèle de pneu tridimensionnel symétrique en faisant tourner le modèle bidimensionnel à la fin de l'analyse d'inflation de 360 degrés. Avec le paramètre « FILE NAME » de l'option *SYMMETRIC MODEL GENERATION dans Abaqus/Standard, un modèle tridimensionnel avec l'extension .axi sera créé. Ce fichier inclut les définitions de nœuds, d'éléments et de sections.

Modélisation de l'éclatement du pneu

La caractéristique clé pour reproduire l'éclatement du pneu est de modéliser les deux mécanismes de défaillance : les ruptures de matériau dans le pneu et la jante, et le déboîtement. Par conséquent, les modifications suivantes doivent être apportées au modèle de pneu tridimensionnel : le flanc du pneu et la jante doivent être modélisés comme deux pièces séparées pour permettre la séparation afin de prendre en compte le déboîtement. Le talon en acier doit être modélisé de manière à offrir suffisamment de résistance et de frottement pour maintenir le pneu intact lorsqu'il est gonflé à la pression suggérée. Ici, nous modélisons le talon du pneu à l'aide d'éléments de poutre 3D.

Les propriétés des matériaux de la bande de roulement et du flanc doivent pouvoir capturer l'endommagement destructif du matériau caoutchouc lors de l'impact, créant ainsi des ouvertures sur le pneu permettant à l'air de s'échapper à l'extérieur du pneu et d'éclater. Selon les conditions, telles que l'angle d'impact et la vitesse d'impact, l'un ou l'autre mécanisme peut déclencher l'éclatement du pneu. Lequel des deux mécanismes – rupture du matériau et déboîtement – se produit en premier sera suivi par l'éclatement du pneu et une chute rapide de la pression du pneu et la perte de support du système de suspension du véhicule.

La fonctionnalité de cavité fluide d'Abaqus est utilisée pour modéliser la pression interne du pneu. Un volume fermé est défini en utilisant des éléments de surface qui couvrent l'intérieur du pneu et de la jante en partageant des nœuds avec la couche interne de nœuds du pneu et de la jante. La pression du pneu est liée au volume fermé. Pour prendre en compte la défaillance du matériau, nous utilisons le matériau hyperélastique avec des critères d'endommagement pour les propriétés du matériau caoutchouc de la bande de roulement et du flanc. Lors de l'endommagement du matériau et de la suppression d'éléments, les éléments de surface sous-jacents au matériau caoutchouc seront libres d'être poussés hors du pneu par la différence de pression.

Le volume de la cavité fluide augmente rapidement et la pression du pneu chute à mesure que le volume augmente. Pour prendre en compte le déboîtement, la zone où le pneu contacte la jante doit être modélisée comme suit : l'anneau d'éléments de surface sur la jante, où l'un est attaché au flanc du pneu, est remaillé avec un maillage plus fin, créant ainsi deux couches de nœuds libres sur le volume fermé de la cavité fluide. Deux anneaux d'éléments de coque avec une rigidité matérielle négligeable sont ajoutés, partageant des nœuds avec les deux anneaux d'éléments de surface. Un contact est défini entre les deux anneaux d'éléments de coque et la jante afin de maintenir les nœuds libres en place lorsque le pneu et la jante ne sont pas séparés.

Les nœuds libres sont décalés pour éviter d'être au même emplacement que la jante pour de meilleures conditions de contact. Lorsque le déboîtement se produit, les nœuds libres pourront passer à travers l'ouverture, augmentant ainsi le volume et dépressurisant le pneu. Les lignes rouges correspondent aux éléments de surface avec les éléments de coque sous-jacents qui ferment l'espace entre le pneu et la jante, créant ainsi un volume fermé pour la cavité fluide.

Résultats de simulation

Un impact vertical, un impact latéral et un impact à 45 degrés ont été simulés. Il a été constaté que dans l'impact vertical, lorsque l'impacteur contacte le pneu sur la bande de roulement, le matériau caoutchouc s'endommage là où la jante contacte également la bande de roulement. L'éclatement du pneu suit avec une chute rapide de pression. Dans l'impact latéral lorsque l'impacteur contacte le flanc du pneu, le flanc se sépare de la jante. L'éclatement du pneu suit avec une chute rapide de pression. Dans l'impact à 45 degrés, à la fois l'endommagement du matériau et le déboîtement se produisent, résultant en une dépressurisation du pneu.

La défaillance du matériau s'est produite en premier à environ 4 ms et le déboîtement suit à environ 4,5 ms de l'autre côté du pneu où la jante bouge plus vite que le flanc en raison de l'impact. La courbe de pression de la cavité fluide est obtenue à partir de la simulation. On voit que la pression continue d'augmenter après l'endommagement du matériau car la vitesse d'échappement de l'air est encore inférieure à l'augmentation de pression due à l'impact. Mais après 0,5 ms, la pression commence à chuter. Le pneu se dégonfle entièrement à environ 5,5 ms. Le processus d'éclatement prend un total de 1,5 ms depuis la première apparition de la défaillance du matériau jusqu'à une pression nulle.

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