Multiscale modeling of rubber hysteretic friction on rough rigid surfaces

Al-Qudsi, Ahmad

The performance of car tires on road tracks is strongly affected by hysteretic friction. In order to optimize driving characteristics, like minimizing fuel consumption, improving skid resistance, increasing tire durability, and increasing vehicle controllability during steering and braking, the rolling friction coefficient should be predicted properly. The accurate and efficient modeling and prediction of the hysteretic friction is still a challenge. In the past decade, two different modeling frameworks have attracted significant attention. They are the viscoelastic half-space (VHS)-based contact mechanics model, based on linear kinematics and implemented with the boundary element method (BEM), and the viscoelastic contact model in the finite deformation framework implemented with the finite element method (FEM). The first one has the ability to model all involved length scales at once with a reduced computational cost under the assumption of a flat geometry of the rough surface and small deformations. The second one does not have these limitations and is able to predict the friction coefficient accurately in the finite deformation framework, but at much higher computational cost. It is not able to investigate all involved length scales at once since it needs an extremely fine mesh refinement, which leads to an impractically slow simulation. This work has two major aims. The first goal is to study the accuracy of geometrical and rheological linearity assumptions in evaluation of rolling friction coefficient. This is done by comparing the simulation results of tire tread block in contact with a sinusoidal road track surface using the linear VHS-based model and the finite deformation model in terms of rolling friction coefficient, contact area, and pressure distributions. It has been found that accurate rolling friction predictions can be obtained through the linear VHS-based model within Reynolds assumption for moderate values of root mean square slopes, whereas finite deformation computations should be adopted for large root mean square slopes. The contact area is much more sensitive to the geometrical and rheological nonlinearities than the rolling friction coefficient. The second goal of the thesis is to establish a new hybrid (nonlinear FEM/linear BEM) multiscale method which combines the advantages of both methods. The presented hybrid multiscale approach has proven to be a suitable tool to study rolling-friction coefficient within a plausible degree of accuracy for relative large contact area and low sliding velocities. It allows a more faster calculation of friction coefficient than the finite deformation model.

Das Verhalten von Pkw-Reifen auf Straßenoberflächen wird stark von hysteretischer Reibung beeinflusst. Um die Fahreigenschaften zu optimieren, beispielsweise zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs, der Verbesserung der Griffigkeit, der Erhöhung der Reifenhaltbarkeit und der Verbesserung der Kontrolle während des Lenkens und Bremsens, sollte die hysteretische Reibung richtig vorhergesagt werden. Die genaue und effiziente Vorhersage von hysteretischer Reibung, sowohl von theoretischer wie numerischer Seite, ist eine Herausforderung. Im letzten Jahrzehnt haben zwei verschiedene Modellierungsverfahren an Aufmerksamkeit gewonnen. Sie sind: das viskoelastische Halbraummodell, das auf einer linearen Kinematik basiert und mit der Randelemente-Methode implementiert wurde, sowie das viskoelastische Kontaktmodell im Rahmen finiter Deformationen, das mit der Finite-Elemente-Methode implementiert wurde. Mit der ersten Methode können alle beteiligten Längenskalen gleichzeitig und mit reduziertem Berechnungsaufwand simuliert werden, wobei eine flache Geometrie der rauen Oberfläche und lineare Verformungen angenommen werden. Die zweite Methode hat diese Einschränkungen nicht und kann den Reibkoeffizienten genau vorhersagen, jedoch bei weitaus höherer Berechnungszeit. Hierbei können jedoch nicht alle beteiligten Längenskalen gleichzeitig untersucht werden, da ein sehr feines Netz benötigt würde, was zu inakzeptabel langen Simulationen führt. Diese Arbeit hat zwei Hauptziele. Das erste Ziel besteht darin, die Auswirkungen geometrischer und rheologischer Linearitätsannahmen bei der Berechnung des Reibkoeffizienten zu untersuchen. Dies erfolgt durch Vergleich der Simulationsergebnisse eines Reifenprofilblocks in Kontakt mit einer sinusförmigen Oberfläche, unter Verwendung des linearen viskoelastischen Halbraummodells, das mit der Randelemente-Methode implementiert wurde, und des viskoelastischen Kontaktmodells im Rahmen finiter Deformationenund der Finite-Elemente-Methode. Betrachtet wurden Reibkoeffizient, Kontaktfläche und Druckverteilung. Es wurde festgestellt, dass mit dem viskoelastischen Halbraum Modell innerhalb der Linearitätsannahmen genaue Vorhersagen der Reibung für kleine Werte der lokaler Oberflächen-Steigung erhalten werden können, wohingegen für große Steigungen finite Deformationen berücksichtigt werden sollten. Das zweite Ziel dieser Arbeit ist die Etablierung einer neuen, hybriden (nichtlinearerFiniten-Elemente / linearer Randelemente) -Multiskalenmethode, die die Vorteile beider Verfahren kombiniert. Die vorgestellte Hybrid-Multiskalen-Methode hat sich als geeignetes Werkzeug erwiesen, um den Reibkoeffizienten mit einem angemessenen Genauigkeitsgrad für niedrige Gleitgeschwindigkeiten zu untersuchen; Sie ermöglicht eine schnellere Berechnung des Reibkoeffizienten als das nichtlineare FE-Modell.

Zitieren

Citation style:

Al-Qudsi, Ahmad: Multiscale modeling of rubber hysteretic friction on rough rigid surfaces. 2020.

Access Statistic

Total:
Downloads:
Abtractviews:
Last 12 Month:
Downloads:
Abtractviews:

show details

Rechte

Use and reproduction:
All rights reserved

Export