Chrono::Vehicle TutorialCo‐simulation framework

1

Tire test rig (2‐way) co‐simulation framework

2

← ForceDisplacement →

← DisplacementForce →

Force/Displacementexplicit co‐simulation

• Rig node• Simulates rig mechanism + deformable tire (ANCF)• Terrain interaction through external applied tire mesh vertex forces• Adaptive HHT integrator + MKL solver• OpenMP parallelization (internal force and Jacobian, MKL solver)

• Terrain node• Simulates terrain particles (spherical contact) + proxy bodies• Proxy bodies:

• State dictated by tire mesh state on rig node• Associated with tire mesh faces (triangle contact shapes)• Contact shape adjusted at each synchronization time

• DEM‐P simulation (semi‐implicit Euler)• Contact forces accumulated on each proxy body and distributed to corresponding mesh vertices

• OpenMP parallelization (Chrono::Parallel)

Nonlinear FEA tire on granular terrain

3“Simulation and mobility analysis of an ANCF tire in a tire rig on deformable granular terrain,” TR‐2016‐07, SBEL, UW Madison, 2016

Contact normal pressure

Upon impact on the granular terrain• Peak in normal contact pressure ~ 500kPa

4Steady state rolling

Steady state rolling• Average normal pressure ~ 70 kPa

Drawbar pull

5

Reference

• Tire pressure: 200 kPa

• Soil cohesion: 80 kPa

• Load: 450 kg

Trends

• Lower cohesion  less available drawbar pull

• Lower tire pressure  increased pull

Drawbar pull – effect of tire inflation pressure

6

Modes of operation of a tire

• Rigid

• Flexible

Drawbar pull – effect of tire inflation pressure

7

Trends

• Drawbar pull curve plateaus at large slip

• Drawbar pull trend with varying inflation pressure

Terrain forces

8

• Time evolution of normal contact forces projected in the longitudinal direction – opposing motion

• Steady‐state values, obtained after t=1.2 s, are averaged to obtain reference metrics on following slides

Larger coh

esion

Smaller resistan

ce

Parametric study: influence of cohesion

9

• Longitudinal resultant of terrain contact forces acting on the tire 

• Samples are taken from steady state results towards the end of simulation

• For lower values of cohesion 10kPa‐40kPa, no available drawbar pull at a slip of 0.3

Parametric study: influence of cohesion

10

• Longitudinal resultant of terrain normal contact forces acting on the tire 

• Samples are taken from steady state results towards the end of simulation

• For lower values of cohesion, larger terrain resistance

Multipass simulations

11

Pass 1

Pass 2

Pass 3

Multipass effects

12

• 90x24 ANCF multilayered, orthotropic shell elements• ANCF mounted in test rig: Linear and angular velocity imposed• Longitudinal slip fixed at 0.3• Linear velocity at zero slip 4.0 m/s• System mass: 465 kg; inflation pressure: 200 kPa

0 1 2 30.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

Terrain sinkage Drawbar pull

Number of passes

Terra

in s

inka

ge (m

)

100

150

200

250

300

350

400

Ste

ady

stat

e dr

awba

r pul

l (N

)Senatore and Sandu, Off‐road tire modeling and the multi‐pass effect for vehicle dynamics simulation, Journal of Terramechanics,  2011

• Particle radius: 6 mm• 20 layers of particles: 424,000• Terrain: 10m x 0.5m • Cohesion: 80 kPa• Time step: 1e‐4 s

Rig, ANCF Tire Granular Terrain

Full vehicle (3‐way) cosimulation framework

13

Vehicle Node Tire Nodes

wheel state

wheel state

tire forces

tire forces

mesh node states

mesh node states

contact forces

contact forces

OpenMP

OpenMP

OpenMP / GPU / MPI

Terrain NodeMPI MPI

(deformable tires) (deformable / rigid terrain)

Full HMMWV with ANCF tires on rigid terrain

14

Full HMMWV with ANCF tires on granular terrain

15

Straight‐line acceleration: chassis

16

Vehicle runs out of initial sinkage

Rear tires fall onto front tires initial footprints

Gear shift

Rear tires fall onto front tires initial footprints

Initial drop causes large vertical contact forces

Straight‐line acceleration: contact and resistance forces

17

Once rear tires run over settled terrain, they have larger net forces and lower resistance forces

Full HMMWV with ANCF tires on granular terrain over obstacle

18

Performance – full vehicle on granular terrain simulation

19

Granular Terrain• Particle radius: 12 mm• 16 layers of particles: 923,000• Terrain: 20m x 3.3m • Cohesion: 100 kPa• 24 OpenMP threads

HMMWV vehicle• Tires: 90 x 24 ANCF multilayered, 

orthotropic shell elements• Inflation pressure: 200 kPa• Acceleration test (80% throttle after 0.5s)• 2 OpenMP threads / tire

• Time step: 3.5e‐5 s• Comp time: 5.5 days for 7.65 s• Real time ratio: ~ 61900 s/s