بررسی پدیده هیدروپلانینگ به روش المان محدود و حجم محدود



دانشگاه جامع علمی – کاربردی
مرگز آموزش عالی علمی – کاربردی صنایع لاستیک

پروزه کارشناسی

عنوان:
بررسی پدیده هیدروپلانینگ به روش المان محدود و حجم محدود

استاد راهنما:
سرکار خانم مهندس فتوحی

نگارش :
چنگیز جعفری
1390

دانشگاه جامع علمی – کاربردی
مرگز آموزش عالی علمی – کاربردی صنایع لاستیک

پروزه کارشناسی

عنوان:
بررسی پدیده هیدروپلانینگ به روش المان محدود و حجم محدود

استاد راهنما:
سرکار خانم مهندس فتوحی

نگارش :
چنگیز جعفری

1390

تقدیم به:
تمام دانشجویان ورودی 88 " مهندسی تکنولوژی صنایع لاستیک "
بویژه آقایان : بابایی- سروش – بختیاری – رئوفی – حکیمی – پاشایی و عباس مرادی

سپاس گزاری:
با سپاس از آموزش و تمامی اساتید مرکز به وی‍ژه سرکار خانم مهندس فتوحی به خاطر راهنمایی های ارزنده ایشان طی این دوره تحصیلی.

فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیده …………………………………………………………………………… 1
1- مقدمه ………………………………………………………………………. 2
2- مکانیسم هیدرو پلانینگ ……………………………………………………… 4
3- معادلات حاکم ………………………………………………………………. 7
4- مشکلات شبیه سازی ………………………………………………………… 8
5- مدل کردن تایر و سیال ……………………………………………………… 10
6- آنالیز هیدرو پلانینگ ……………………………………………………….. 12
7- بررسی صحت پیش بینی ها ………………………………………………… 14
8- کاربرد طراحی پترن ………………………………………………………. 17
9- نتیجه گیری …………………………………………………………………. 20
منابع وماخذ:
فهرست منابع غبر فارسی ……………………………………………………… 34
چکیده انگلیسی ………………………………………………………………….. 35

الف

فهرست تصاویر
عنوان صفحه
تصویر 1 ……………………………………………………………………….. 22
تصویر 2 ……………………………………………………………………….. 22
تصویر 3 ……………………………………………………………………….. 23
تصویر 4 ……………………………………………………………………….. 23
تصویر 5 ……………………………………………………………………….. 24
تصویر 6 ………………………………………………………………………… 24
تصویر 7 ………………………………………………………………………… 25
تصویر 8 ………………………………………………………………………… 25
تصویر 9 ………………………………………………………………………… 26
تصویر0 1 ……………………………………………………………………… 26
تصویر1 1 ………………………………………………………………………. 27
تصویر 12 ………………………………………………………………………. 27
تصویر3 1 ………………………………………………………………………. 28
تصویر 14 ………………………………………………………………………. 28
تصویر5 1 ………………………………………………………………………. 29
تصویر6 1 ………………………………………………………………………. 29
تصویر7 1 ………………………………………………………………………. 30
تصویر8 1 ………………………………………………………………………. 30
تصویر9 1 ………………………………………………………………………. 31
ب

تصویر20 ………………………………………………………………………. 2 3
تصویر21 ……………………………………………………………………….. 32
تصویر2 2 ………………………………………………………………………. 33
تصویر23 ……………………………………………………………………….. 33

ج

بنام خدا

چکیده :
سه فاکتورمهم که در توسعه هیدرو پلانینگ (آب پیمایش) درنظرگرفته می شوند عبارتند از:
1. برهم کنش ساختار سیال⁵
2. غلتش تایر.
3. پترن به کار برده شده.
تایربا فرمولاسیون lagrangian وبه روش FEM آنالیز شده است.
وسیال با فرمولاسیون eulerian به روش FVM آنالیز شده است.
از آن جایی که تایر وسیال بطور جداگانه مدل شده است وترکیب آن ها با استفاده ازالمان های کوپل آنالیز می شوند.
وبرهم کنش ساختار سیال هندسه بسیار پیچیده ای دارد.
تایر به همراه پترن را می توان به صورت آزمایشگاهی آنالیز کرد.
ما موفق شدیم به شبیه سازی هیدروپلانینگ با در نظرگرفتن پارامترهای مختلف از قبیل :
1. جریان آب.
2. وابستگی هیدروپلانینگ به سرعت.
3. اثر پترن برهیدروپلانینگ.
به منظور پیش بینی خط جریان در ناحیه ی تماس روش آنالیز global – localتوسعه داده شد.
نظر به این که خط جریان را می توان با استفاده از این تکنولوژی پیش بینی کرد، ما می توانیم پترن های جدید را توسعه دهیم در دوره کوتاه زمانی با توجه به اصل آرام ساختن خط جریان¹

1) مقدمه
یکی از مهم ترین عوامل برای طراحی پترن تایر هیدروپلانینگ می باشد، زیرا از کنترل خارج شدن وسیله نقلیه به یک باره اتفاق می افتد. وبه همین خاطر بسیاری از مهندسین ومحققین درباره پدیده هیدروپلانینگ کار می کنند.
اثر برخی از پارامترها بر هیدروپلانینگ در کارهای آزمایشی بررسی شده اند ، از قبیل :
* ساختارجاده² (نرمی وزبری سطح جاده ).
* فشار باد تایر.
* سرعت تایر.
* پترن ، بار وعمق آب و… .
در اکثر کارهای تحلیلی پدیده هیدروپلانینگ با استفاده از معادله دو بعدی رینولدز³حل شده است وبرهم کنش ساختار سیال نیز دربرخی از آن ها مورد بررسی قرار گرفته است.

هم چنین CFD برای آنالیز معادله دو بعدی رینولدز¹ که شامل برهم کنش ساختار سیال است به کار می رود.
ازسوی دیگردرسال های اخیر ( 1997 – 1996) 3D -CFDمورد استفاده قرار گرفته که هیدروپلانینگ بررسی می شود با استفاده از معادله navier – stokes که شامل سطح آزاد ومدل اغتشاشی است.
با این حال محققان کمی هستند که پدیده هیدروپلانینگ را با روش FEM حل کرده اند. روش FEM دشوارهست ودراستفاده از آن باید 3 پارامتر مهم زیر را در نظر گرفت:
* برهم کنش ساختار سیال در مدل های سه بعدی .
* غلتش تایر.
* وهندسه پیچیده پترن تایر.
اگر ما از شبیه سازی هیدروپلانینگ به عنوان ابزار طراحی تایر استفاده کنیم ، بررسی هر 3مورد لازم وضروری هستند. اگرچه برای طراحی پترن برهم کنش ساختار سیال در شبیه سازی هیدروپلانینگ مورد بررسی قرار می گیرد. ولی دو مورد دیگرمورد بررسی قرار نگرفته اند. (در شبیه سازی های قبلی ) .
بنابراین ما می خواستیم یک روش جدید که هر 3 پارامتر را در هیدروپلانینگ بررسی کند ، را پایه ریزی کنیم .
در این مقاله شرح داده می شود که چگونه 3 پارامتر مهم را بررسی کنیم . وچطور ازاین تکنولوژی برای طراحی پترن استفاده کنیم.

کلمات کلیدی :
آب پیمایش ( هیدروپلانینگ ) برهم کنش ساختار سیال – المان محدود FEMحجم محدودFVM.

2) مکانیسم هیدروپلانینگ
هیدروپلانینگ یک پدیده هیدرودینامیکی هست . که دراثر برخورد آب با تایر در سرعت بالا رخ می دهد.
فاصله ایجاد شده بین تایر وجاده بواسطه برخورد ( آب وتایر) منجربه کاهش عملکرد تایر در شرایط خیس¹ ( بارانی) می شود.
معمولا هیدروپلانینگ با استفاده از مفهوم 3 ناحیه مشهور که در شکل 1 نشان داده شده اند تفسیر می شوند.
در ناحیه A، تایربرفیلم ضخیمی از آب شناور² هست وآب نفوذ می کند ( بصورت برشی ) در ناحیه تماسی تا این که تایر کاملا از جاده جدا شود.
ناحیه B، تایر بر روی فیلم نازکی از آب هست ، این ناحیه, ناحیه انتقال³ هست ازناحیه شناوری به ناحیه تماسی⁴.
در ناحیه C، تایر کاملا به جاده چسبیده هست.
هیدروپلانینگ به دو نوع پدیده تقسیم بندی می شود.
1) هیدروپلانینگ دینامیک :
زمانی که راننده وسیله نقلیه با سرعت بالا بر روی فیلم ضخیمی از آب با سرعت بالا رانندگی می کند. به علت اینرسی⁵ آب وشناور بودن تایر بر فیلم آب فشارهای هیدرودینامیک بوجود می آیند.
2) هیدروپلانینگ ویسکوز :
زمانی رخ می دهد که وسیله ی نقلیه بر روی فیلم نازکی ازآب درجاده حرکت می کند.
خاصیت ویسکوز سبب لیز بودن بین تایر وسطح جاده می شود. وبه همین خاطر تایر در جاده خیس لیزمی خورد.
هیدروپلانینگ دینامیک اثر بارزی بر ناحیه A، (شناوری) دارد.
از سوی دیگر اثر ویسکوز تاثیر بارزی بر ناحیه ی B (انتقال) دراد.
هرچند هر دو مورد اینرسی و ویسکوزیته در هیدروپلانینگ مهم هستند. ما

در این تحقیق تمرکزمان را در شبیه سازی فقط معطوف هیدروپلانینگ دینامیک کرده ایم.
اندازه گیری سرعت هیدروپلانینگ در شرایطی که عمق فیلم آبmm 10 هست ، در این تحقیق بررسی می شود.
که این ضخامت کافی برای رخ دادن پدیده هیدروپلانینگ دینامیک هست. مهم ترین جنبه (دیدگاه ) در هیدروپلانینگ دینامیک ،تایرهای بادی هستند که می تواند به طور کامل وابسته بودن به اینرسی را تفسیر کرد.
فرمول پیش بینی سرعت هیدروپلانینگ NASA ,s صرفا ناشی)مشتق) می شود واز نظریه ی جریان غیر ویسکوز که باید براین نظریه مفروض هست.
فقط اگرآنالیز مفصلی از جریان سیال خواستار باشیم، اثرات ویسکوز نیز نیاز به بررسی دارد.
مورد دیگری که مورد بررسی قرار می گیرد ،خصوصیات ریزساختاری¹ سطحی جاده هست که ممکن هست تاثیراتی در ناحیه نفوذ فیلم نازک (آب) در ناحیه تماس داشته باشد.
نقاط تیز در سطح جاده به سطح لاستیک نفوذ کرده وباعث سایش ودر برخی بخش ها منجربه برش خواهد شد.
خصوصیات اصلی سایش را ریز ساختارهای تعیین می کنند. به همین خاطردراین تحقیق هیدروپلانینگ ویسکوز با درجه اهمیت کمتری نسبت به هیدروپلانینگ دینامیک بررسی می شود.
در شکل2، تصاویر شما تیکی از هیدروپلانینگ دینامیک هست ومکانیسم هیدروپلانینگ در فیلم آب در زیرآمده است :

1. برخورد آب با تایر در سرعت های بالا.
2. فشارهای هیدرو دینامیک تولید شده در اثر اینرسی آب.
3. زمانی که درلبه ی بلت تایر¹ فشارهای هیدرودینامیک بیش از حد افزایش می یابد تایر شروع به شناورشدن در آب می کند.
4. تغییر شکل² تایر به واسطه ی افزایش متوالی فشارهای هیدرودینامیک.
به خاطر همین تغییر شکل برشی از فیلم آب در ناحیه تماس نفوذ می کند. شدت نفوذ آب وفشارهای هیدرودینامیک به طور پی درپی افزایش می یابد. تا زمانی که پدیده هیدروپلانینگ شامل برهم کنش ساختار سیال هست، باید تغییر شکل تایر وجریان سیال تواما شبیه سازی شود.

3) معادلات حاکم :
تاکنون ما بر روی هدف تحقیق، یعنی مطالعه وبررسی هیدروپلانینگ دینامیک متمرکز شده ایم و از ویسکوزیته آب چشم پوشی کرده ایم.
بنابر معادلات حاکم بر سیالات معادلات eulerian عبارتند از:
Mass conser vation :
1) ∫v ∂ρ/∂t dv = -∫sρu . nds
Momentum conser vation :
2) ∫v ∂(ρu)/∂t dv = -∫s (ρu)(u.n)ds +∫s ι.nds
Energy conser vation :
3) ∫ ∂et/∂t dv = -∫s et u.n ds +∫s u.ι.nds

ρ :دانسیته ι:تنش تنسور¹ نیروی سیال
et : انرژی درونی u : سرعت سیال
دراین تحقیق تاکنون ویسکوزیته آب نادیده گرفته شده است وهیدروپلانینگ ویسکوز در بخش B بررسی نشده است.

4) مشکلات شبیه سازی هیدروپلانینگ
دو اشکال برای شبیه سازی هیدروپلانینگ وجود دارد.
اولی برهم کنش ساختار سیال در غلتش تایر،اگر ما بوسیله فرمولاسیون Lagrangian هیدرو پلانینگ را شبیه یازی کنیم به واسطه غلتش تایر مش های² آب عمدتا از ریخت می افتند³.
همانطور که در شکل 3 نشان داده شده به ویژه در شیارهای جانبی مش ها به شدت از ریخت می افتند.
علاوه براین تغییر شکل مش های آب در ناحیه تماس زیاد هست تا این که ضخامت مش های بسیار کوچک شوند.
مش های eulerian قابل تغییر شکل هستند مانند روش ALE که اغلب برای حل مسئله های که تغییرشکل های بزرگ و واپیچش⁴ دارند. استفاده می شوند.
اما حجمی از سیال در ناحیه تماس در اثر بار (فشار) تایر ناپدید می شوند. (از میان می روند.) بنابراین محاسبه جریان سیال در ناحیه تماس به روش ALE بسیار مشکل هست.
این امکان وجود دارد که هیدروپلانینگ را بتوان حل کرد (بررسی کرد) به روش ALE با REMASHING (باز تولید شبکه )
اما در روش REMASHING (باز تولید شبکه) لازم هست که در مدت زمان بسیار کوتاه (0/1 تا1 میلی ثانیه) در ناحیه شناوری انجام شود.
بنابراین شبیه سازی ((هیدروپلانینگ )) با استفاده از ALE REMASHING غیرممکن هست.
مشکل بعدی در شبیه سازی هیدروپلانینگ مسئله مش بندی در ناحیه سیال هست زمانی که پترن مورد بررسی قرار می گیرد.
با توجه به هندسه پیچیده پترن (شکل4)
تولید مش های سازگار با پترن وناحیه سیال مشکل هست از سوی دیگر واپیچش – مش های سیال (شکل3) شدیدتر می شود. زمانی که پترن بررسی می شود.
از این به بعد شیوه های جدیدی که بتوان شبیه سازی کند . هیدروپلانینگ را با پترن مورد نیاز هست.

5) مدل کردن تایر وسیال
برای آن که مسئله های فوق اند ، را حل کنیم از کدهای روشن تجاری MSC.DYTRAN در مورد آنالیز تایر با FEM با فرمولاسیون
lagrangian وآنالیز سیال با روش FVM با فرمولاسیون
ealerian استفاده می کنیم.
از سوی دیگر، فصل مشترک ¹(ناحیه مشترک ) تایر وسیال با استفاده از کوپل جنرال² مدل می شود.
هرکدام عملکرد خاصی در MSC.DYTRAN دارند، به منظور بررسی برهم کنش ساختار سیال (شکل5)
کوپل جنرال سازگاری خوبی با کوپل ealerian – lagrangian دارد.

ویژگی های آن عبارتنداز:
1) المان های lagrangian برای ساختار والمان های ealerian برای سیال به طور جداگانه مدل می شوند وناحیه مشترک (فصل مشترک) آن ها با المان های کوپل مدل می شوند.
2) کوپل جنرال محاسبه می کند. برهم کنش بین مش های lagrangian ومش های ealerian وقادر می سازد به آنالیز مسئله پیچیده برهم کنش ساختار سیال.
3) المان های کوپل در سطح مش های LAGRANGIAN تولید می شوند. وتوزیع (انتقال دهنده ) کننده نیروهای بین دو سطح ( ealerian ,lagranhian) هستند.
4) سطح نقش مرز را برای جریان آب در مش ealerian دارد.
5) تغییر شکل در مش های سیال اتفاق نمی افتد. نیروهای (( برهم کنش ساختارسیال )) بوسیله المان های کوپل انتقال می یا بد و المان های کوپل با مش های سیال سازگار نیستند ، و در حوزه سیال هم پوشانی ایجاد می شود.
به خاطر این که با فرمولاسیون ealerion سیال آنالیز می شود. تغییر شکل در مش های سیال اتفاق نمی افتد. حتی اگردرساختار مش اتفاق افتد.
از این جا به بعد مسئله ی برهم کنش ساختار سیال در شبیه سازی هیدروپلانینگ تایر با پترن، پیچیده می شود.
برای مثال؛
می توان وقتی از این عملکرد استفاده می کنیم ،به طورآزمایشگاهی آنالیزکرد . سطح آزاد با استفاده از جزء حجمی¹ (بخش حجمی) آب مدل می شود.
اگر یک المان بطورکامل پر از آب باشد،جزء حجمی آب یک هست. در غیراین صورت، اگریک المان بطور کامل خالی باشد، جزء حجمی آب صفرهست.
افزایش جزء حجمی آب بوسیله ی جابجایی تعادل حل می شود.
در شکل 5 هم پوشانی (تداخل) مدل تایر در حوزه ی سیال نشان داده شده برسطح پترن ترد المان های کوپل مدل شده است.

6) آنالیز هیدروپلانینگ در تایر با پترن نتایج آنالیز هیدروپلانینگ تایر با پترن درشکل شماره ی 6 نشان داده شده است. سرعت تایر60 km/h ، سایز تایر 205/55R16 فشار باد 220kpa و بار وارد بر آن 4500N هست.
تعداد المان های حوزه ی سیال حدودا 000/39 می باشد که شامل المان های کوپل نیز می باشد. وتعداد المان های تایر در حدود 000/18 می باشد.
در مدل کردن تایر در راستای افقی¹ وچرخشی² ، ازسرعت های توجیه شده استفاده شده است.
ضریب اصطحکاک بین تایر وجاده صفر درنظر گرفته شده است.
اندازه حوضچه آب 300* 200*30میلی متر هست که به اندازه ی کافی بزرگ هست، برای جریان پیداکردن آب اطراف ناحیه جاپا وعمق آب10میلی متر هست.
اطراف حوضچه آب مرز جریان هست (هرچند هیچ آبی نتواند جریان پیدا کند) پترن در بخشی از ناحیه ترد طراحی شده است که زمان cpu را کاهش دهد.
هرکدام به اندازه ی کافی بزرگ هستند. برای ناحیه جاپا که در شکل 6 نشان داده شده اند.
پترن ترد بعداز چرخش320 درجه تایر در داخل آب چرخش می کند.
در شکل 6 نشان داده شده که آب بوسیله شیارهای محیطی¹ وشیارهای جانبی² کشیده (خارج) می شوند.
در تصویر 7 نیروهای تماسی³ با پیشرفت زمان نشان داده شده اند. محورعمودی نشان دهنده نیروهای تماسی بین تایر وجاده ومحور افقی زمان شبیه سازی است.
هم چنین تصویر 7 ترتیب بارگیری در مدل تایر نشان داده شده یک تایر تا5ms باد می شود. وبارگذاری تا 50ms انجام می شود، سپس ناحیه خالی تر تماس پیدا می کند با جاده وبه چرخش در می آید تا به حالت پایدار در 135ms برسد.
بعد از پایداری چرخش ناحیه پترن می چرخد در آب بین 135ms تا 150ms نیروهای هیدرودینامیک در این دوره ارزیابی می شوند. به عبارت دیگر اثرات پترن بر هیدروپلانینگ بررسی می شوند.

7) بررسی صحت پیش بینی ها

1/7 : در شکل 8 تایر مدل شده با آب وبدون آب با هم مقایسه شده که تفاوت بسیاری دارند.
به عبارت دیگر، ما رفتار آب (خصوصیات) را به وضوح مشاهده می کنیم.
آب محیط توسط شیارهای محیطی وجانبی کشیده شده وموج ( آب) در لبه بلت منحرف می شود.
در تصویر 9 با استفاده از خطوط و نقطه چین جریان آب پیرامون لبه بلت نشان داده شده است.
در مرکز ناحیه ی تماس وپهلو آب درراستای محیطی کشیده می شود.
در شانه ی¹ ناحیه ی تماس در راستای مایل ²کشیده می شود.
اگر ما جریان آب را با دقت بررسی کنیم، جریان کشیده شده درمرکز شیارهای جانبی ودر شانه های شیارهای جانبی می توانیم تشخیص دهیم.
راستای جریان براساس هندسه پترن تغییر می کند.
این دلیلی هست بر اهمیت هندسه پترن در عملکرد پدیده هیدروپلانینگ .
در تصویر 10،مقایسه بین اندازه ی پیش بینی شده واندازه ی واقعی جریان آب هست.
این تصویر نشان دهنده ی غلتش تایر در آب هست. شرایط پیش بینی وآزمایشگاهی عبارتنداز:
عمق آب10mm وسرعت 60km/h است.
اگرچه ویسکوزیته آب در این شبیه سازی نادیده گرفته شده است با این حال جریان آب پیش بینی شده، مطابقت خوبی با مقدار واقعی دارد.
2/7 : وابستگی هیدروپلانینگ به سرعت
از آن جا که پدیده هیدروپلانینگ زمانی رخ می دهد که فشارهای هیدرودینامیک در اثر اصطحکاک بیش از حد افزایش یابند.
بنابراین نیروی هیدرودینامیک معیار خوبی برای مطالعه وبررسی پدیده هیدروپلانینگ هست.
به عبارت دیگر نیروی هیدرودینامیک برای ما میسر می سازد محاسبه ی غلتش تایر در آب وبدون آب را.
نیروی تماسی با آب وخارج آب را ازهم در شکل شماره ی 7 جداکردیم.
به دلیل برهم کنش ساختار سیال نیروی اصطحکاک با حضور آب کمتر از نیروی اصطحکاک بدون حضور آب هست.

وتفاوت بین این نیروها در نیروهای هیدرودینامیک پدیده هیدروپلانینگ بررسی می شود.
در تصویر 11،بررسی وابستگی نیروی هیدرودینامیک به سرعت نشان داده شده است.
نیروهای هیدرودینامیک غلتش تایر با پترن وبدون پترن با افزایش سرعت افزایش می یابد، که مطابق انتظار می باشند.
از سوی دیگر تصویر12،نشان می دهد که نیروی هیدرودینامیک تقریبا نسبت توان2با سرعت در هردو مورد تایر(با پترن وبدون پترن) دارد.
نیرو F= سرعت V= F↪v²
در این معادله در حقیقت سرعت هیدروپلانینگ متناسب است با ریشه ی دوم فشار باد.
فشار باد =P V↪p 1/2
زیرا پدیده ی هیدرودینامیک زمانی رخ می دهد که فشار هیدرودینامیک با فشار تماس برابر شود که تقریبا متناسب با فشار باد هست.
مقایسه جریان آب پیرامون ناحیه تماس در سرعت های متفاوت در تصویر13،نشان داده شده است.
می توان مشاهده کرد که جریان آب اطراف لبه ی بلت تایر با افزایش سرعت افزایش می یابد.
3/7 : اثر پترن ترد برهیدروپلانینگ
در این تحقیق اثر پترن ترد بر هیدروپلانینگ بررسی وپیش بینی شده است و مقایسه نیروهای هیدرودینامیک تایر با پترن وبدون پترن در شکل 14 نشان داده شده است.
پترن سبب کاهش نیروهای هیدرودینامیک می شود. که مطابق
انتظارهست. در تصویر 15، خطوط اصلی(خارجی)¹ تایر در لبه ی بلت نشان داده شده است که هرکدام در خط مرکزی سطح ودر مرکز آج ² قرار گرفته اند.
خطوط اصلی هردوتایر(با پترن وبدون پترن) با هم قابل قیاس هستند. خط اصلی غلتش تایر درمحیط بدون آب در حالت پایدار به عنوان مرجع هست.
با افزایش سرعت تغییر شکل خط اصلی افزایش می یابد وتغییرشکل پترن کاهش می یابد. تغییرشکل بوسیله ی فشار هیدرودینامیک بوجود می آید.

8) کاربرد طراحی پترن 1/8 : آنالیز global – local جریان آب برای طراحی پترن . در آنالیز هیدروپلانینگ غلتش تایر نیاز به زمان cpu زیاد دارد.
مخصوصا در مورد تایرهای با پترن بر روی تمام ترد تایر هم چنین برای پیش بینی جریان آب پیرامون پترن روش جدیدی برپایه ی آنالیز global – local توسعه یافت.
در تصویر16، پروژه ی آنالیز global – local نشان داده شده است. در ابتدا غلتش تایر با ترد خالی (بدون پترن) آنالیز شده وبرهم کنش ساختار سیال با استفاده از آنالیز global بررسی شده است. وبعد از آن جابجایی بلت با آنالیز global بررسی شده است.
بعد مدل پترن به مدل بلت چسبانده (کوپل) شده وجابجایی بلت ها در آنالیز local در سرعت های معین محاسبه می شو..د آنالیز local به صورت جداگانه انجام می شود.
از آن جا که مدل local دقیق تر از مدل global هست، لزومی ندارد که مختصات گره ای بکار رفته در مدل local در مدلglobal هم استفاده شود.
از این روبرای استفاده ازعامل المان سرعت های معینی در مدل localتعیین شده اند.
در آنالیز local برهم کنش ساختارسیال نیز بررسی می شود.
تعداد المان های حوزه ی سیال (محدود سیال) حدود 000/32 عدد که شامل المان های کوپل نیز می شود، تعداد المان های بخش پترن حدود300/2 عدد در آنالیز local هست.
از آن جا که مدل local مستقل ازمدل global هست ، باید با استفاده از مدل دقیقی تاثیرات، تغییرات کوچک طراحی پترن را بر پدیده هیدروپلانینگ آنالیز کنیم. هم چنین با استفاده از آنالیز global زمان cpu را کاهش دهیم.
2/8 : توسعه ی طرح های جدید پترن
برای تولید طرح های جدید پترن از شبیه سازی هیدروپلانینگ local- global استفاده می کنیم.
به منظورکنترل جریان آب پیرامون پترن نزد طراحی سه بعدی شکل بلوک ¹ را مورد مطالعه قرار می دهیم.
با شیب دار کردن راس بلوک² می توان جریان آب اطراف آن را آرام کرد. که در شکل 17، نشان داده شده است.
هم چنین ابعاد نمونه راس بلوک در تصویر17 نمایش داده شده است وعمق پترن نزد 8mm هست.
ما این دماغه را F₁ می نامیم، زیرا شبیه شکل دماغه ماشین F₁ هست، در بلوک های حلقوی نشان داده شده در تصویر 18، دماغه F₁ به کار رفته است.
برای مطالعه وبررسی اثر دماغه F₁ بر هیدروپلانینگ غلتش تایر با دماغه F₁ وبدون دماغه F₁ را شبیه سازی کردیم. همان طور که در تصویر19، نشان داده شده است جریان آب در تایر با دماغه F₁ آرام ترازتایر بدون دماغه F₁ هست.
نشان می دهد که نقاط ناصاف¹ دماغه F₁ باعث افزایش فشارهای هیدرودینامیکی اطراف راس بلوک² می شود.
اندازه گیری های سرعت هیدروپلانینگ نشان می دهد که استفاده از دماغه F₁ به میزان 1km/h هیدروپلانینگ را بهبود می بخشد.
بنابراین دماغه F₁ بر اصلاح عملکرد پدیده ی هیدروپلانینگ موثر هست.
3/8 : توسعه ی پترن ترد در تایر موتورهای اسپرت
به واسطه ی سرعت بالای موتورهای اسپرت پدیده ی هیدروپلانینگ در این موتورها به راحتی رخ می دهد. ولی طراحی پترن به روش سعی خطا وبا توجه به تجربه طراح انجام می گرفت.
ما در طراحی پترن های جدید برای تایرهای سرعت بالا از شبیه سازی هیدروپلانینگ استفاده کردیم. برپایه اصل مهم آرام ساختن خط جریان.
به منظور مشاهده خط جریان ابتدا شبیه سازی ترد خالی را انجام می دهیم.
به دلیل وجود زاویه کمبر³تایر جلو خط جریان نا متقارن ⁴هست.
همان طورکه در شکل20، نشان داده شده است خط جریان تایرعقب متقارن ⁵ هست. سرعت200km/h وعمق آب2mm هست.
هندسه حفره های روی ترد براساس خط جریان طراحی شده اند وبرای شبیه سازی اثر پترن از آنالیز global – local استفاده شده است.
از آن جا که خط جریان نشان می دهد که جریان آب به کدام سمت گرایش داشته باشد. ما می توانیم با استفاده از شیارهای خالی که مشابه خط جریان در نزد خالی (بدون پترن) هستند آب را موثرتر تخلیه کنیم که در شکل21 نشان داده شده است.
تدریجا حفره ها در راستای محیطی از مرکز به سمت پهلو در شانه ی تایر تغییر می کند.
با توجه به این که در تایرهای جلو خط مرکزی در ناحیه ی تماس در مرکزهندسه تایر قرار نگرفته است به همین خاطر آرایش حفره ها نامتقارن هست.
تصویر22 نشان دهنده ی فشارهای هیدرودینامیک هست.
عدد داخل پرانتز شاخص نیروهای هیدرودینامیک هست.
کارشناسی (ارزیابی) براساس کاهش شاخص نیروهای هیدرودینامیک در پترن جدید هست، که عملکردهیدروپلانینگ اصلاح گردید.
در حقیقت زمان پیچش تایر با پترن جدید کوتاه تر می شود در تست جاده.
در پایان هندسه حفره ها بر روی بلوک طراحی می شوند.
بعداز خروج موثر آب از نواحی تماس بواسطه ی اصلاح هندسی حفره ها می توانیم با افزودن حفره های کوچک بر روی بلوک که sipe نامیده می شوند. خروج آب را از بلوک بهینه تر کرد.
به منظور شبیه سازی خروج آب از بلوک ازآنالیز global – local استفاده می کنیم. که در شکل23 نشان داده شده است.
با اضافه کردن sipeها فشارهای هیدرودینامیک کاهش چشم گیری پیدا می کند.
هم چنین زمان پیچش کوتاه تر می شود وتست جاده با اضافه کردن sipe .

9) نتیجه
روش جدیدی را برای شبیه سازی هیدروپلانینگ که 3 فاکتور مهم زیر را بررسی می کند. پایه گذاری کردیم:
1. برهم کنش ساختار سیال.
2. غلتش تایر.
3. پترن ترد.
تایر با فرمولاسیون lagrangian به روش FEM آنالیز شده.
وسیال با فرمولاسیون ealerian به روش FVM آنالیز شده.
علاوه بر این نواحی مشترک بین تایر وسیال با استفاده از کوپل جنرال مدل شده است.
از آن جا که تایر وسیال را توانستیم جداگانه مدل کنیم. کوپل آن ها به طور خودکار محاسبه می شود.
مسئله ی پیچیده ((برهم کنش ساختار سیال)) را همانند ((هیدروپلانینگ)) تایر با پترن ترد توانستیم به طور آزمایشگاهی آنالیز کنیم.
شبیه سازی هیدروپلانینگ را با در نظرگرفتن پارامترهای مختلف زیر انجام دادیم :
* جریان آب.
* وابستگی هیدروپلانینگ به سرعت.
* اثر پترن بر هیدروپلانینگ.
هم چنین ما ثابت کردیم که نیروهای هیدرودینامیک تقریبا متناسب با توان 2 سرعت هست.
F↪v²
روش جدیدی برپایه آنالیز global – local برای طراحی پترن با استفاده از شبیه سازی هیدروپلانینگ ایجاد کردیم.
وطراحی سه بعدی شکل بلوک را طوری انجام دادیم که راس شیبدار بلوک در اصلاح هیدروپلانینگ موثر واقع شد.
از آن جا که شبیه سازی هیدروپلانینگ می تواند جریان آب پیرامون پترن را تفسیر کند.
توسعه پترن های جدید را در زمان کوتاهی برپایه اصل آرام ساختن خط جریان انجام می پذیرد.

ABSTRACT

The new numerical procedure for hydroplaning has developed by considering the following three important factors: fluid/structure interaction, tire rolling, and practical tread pattern. The tire was analyzed by FEM with Lagrangian formulation and the fluid is analyzed by FVM with Eulerian formulation . Since the tire and the fluid are modeled separately and their coupling is automatically computed by the coupling element, the fluid /structure interaction of the complex geometry such as the tire with the tread pattern can be analyzed practically. We verified the predictability of the hydroplaning simulation in the different parameters such as the water flow, the velocity dependence of hydroplaning, and the effect of the tread pattern on hydroplaning . In order to predict the streamline in the contact patch, the procedure of the global – local analysis was developed. Since the streamline could be predicted by this technology, we could develop the pattern in a short period based on the principle; "make the stream line smooth"

1