Proposal of a computer model for simulation of car tires under dynamic loads

Ing. Baurice Sylvain Sadjiep Tchuigwa

Disertační práce

Anotace:

Tato studie se zameˇˇruje na modelování a simulaci pneumatik automobil°u vystavených dy namickému zatížení. Jakožto základní soucást systému odpružení vozidla zajišt?ují pneumatiky ˇ správný pˇrenos zatížení na zem a absorbují vibrace vyvolané odvalováním. V provozních pod mínkách jsou tato zatížení vysoce dynamická. Analýza pneumatik za techto podmínek však ˇ v literatuˇre nebyla d°ukladne prozkoumána. Cílem této práce je proto tuto mezeru zaplnit. Za ˇ tímto úcelem je proveden jak p ˇ ˇrehled experimentální odezvy komponent pneumatik v cyklick ých dynamických testech, tak i pˇrehled stávajících model°u pneumatik. Následne je navržena ˇ metodologie modelu založeného na metode kone ˇ cných prvk°u, která je v souladu s dynamick- ˇ ými vlastnostmi materiálu a dynamickým zatížením. Je navržena propracovaná strategie pro vytvoˇrení geometrie, identifikaci parametr°u materiálu, volbu topologie, okrajových podmínek a schéma ˇrešení. Pro validaci tohoto modelu byly provedeny simulace a experimenty na vybrané pneumatice ve statickém, dynamickém a volném vibracním nastavení. Porovnání výsledk°u, ˇ konkrétne vertikální výchylky, kontaktní plochy, tvaru kmit°u a vlastních frekvencí, demon- ˇ struje pˇresnost modelu. Dále byly zkoumány rozsáhlé odezvy, jako je ustálené odvalování, vibracní analýza, p ˇ ˇrechodné odvalování a ustálená dynamika. Ve srovnání se statickou odezvou výsledky pˇrinášejí nové poznatky týkající se vlivu dynamického zatížení na deformaci a stav napetí v pneumatice. Tento model je navíc všestranný a lze jej rozší ˇ ˇrit tak, aby zkoumal více odezev, jako jsou akustické, termomechanické, aquaplaningové a související analýzy hluku, vi brací a drsnosti. Tato práce pˇrispívá k rozvoji pneumatikáˇrského pr°umyslu a zd°uraznuje význam ˇ zohlednení dynamického zatížení ve fázích návrhu pneumatik pro zlepšení konstrukce, život- ˇ nosti a bezpecnosti pneumatik.

Abstract:

This study focuses on the modeling and simulation of car tires subjected to dynamic loads. As an essential part of the vehicle suspension system, tires ensure a proper transfer of loads to the ground and absorb rolling-induced vibration. In operating conditions, these loads are highly dy namic. However, the analysis of tires under these conditions has not been thoroughly explored in the literature. Therefore, the objective of this work is to address this gap. To achieve this, both the review of the experimental response of tire components in cyclic dynamic tests and the review of the existing tire models are conducted. Afterward, the methodology of a Finite element-based model that is consistent with material dynamic properties and dynamic load is proposed. An insightful strategy for the creation of the geometry, material parameter identifi cation, choice of topology, boundary conditions, and solution scheme is proposed. In order to validate this model, simulations and experiments were conducted on a selected tire in static, dy namic and free vibration setups. The comparison of results, specifically the vertical deflection, contact area, mode shapes, and natural frequencies, demonstrates the model?s accuracy. Fur thermore, extensive responses such as steady-state rolling, vibration analysis, transient rolling, and steady-state dynamic were examined. Compared to static response, the results bring new findings regarding the effect of dynamic loads on the deformation and stress state in the tire. Moreover, this model is versatile and can be extended to investigate more responses, such as the acoustic, thermomechanical, aquaplaning and coupled noise, vibration, and harshness analyses. This work contributes to the advancement of the tire industry and highlights the significance of considering dynamic loads in the tire design phases for improving tire design, durability, and safety.

Klíčová slova

Metoda konecných prvk°u, simulace pneumatik, dynamické zatížení, ustálená ˇ dynamika, vibrace, pˇrechodné odvalování

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 3. 9. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 7. 1. 2026
• Vedoucí: prof. Ing. Jan Krmela, Ph.D.

Univerzita Pardubice

Dopravní fakulta Jana Pernera

Doktorský studijní program / obor:
Transport Means and Infrastructure / Transport Means