基于离散元法的车轮与松软地面相互作用分析

地面力学是将车辆动力学和土力学相结合的学科，主要研究车辆、地面以及两者之间相互作用等问题。尽管车辆动力学和土力学各自已经存在深厚的研究基础，但是将车辆和地面作为一个系统来研究却并不广泛。而且由于车轮和土壤复杂的力学特性以及两者之间复杂的接触情况，使得车轮与松软地面的相互作用分析成为研究的难点。随着我国社会和经济的迅速发展，各种非公路车辆的应用越来越广泛，人们对非公路车辆性能的要求也越来越高，于是车轮与松软地面的相互作用成为研究的热点。 本文以车轮与土壤的相互作用为研究对象，利用课题组自主研发的离散元软件建立了车轮与松软地面的离散元模型，并对两者之间的相互作用进行了仿真分析。本文的主要研究内容和研究结果如下。 （1）建立了车轮和松软地面的离散元分析模型。考虑到车轮分为刚性轮和弹性轮，采用两种不同的建模方法。刚性轮采用边界CAD的建模方法，建立其离散元分析模型；弹性轮采用由轮辋颗粒和若干轮胎颗粒构成的方法，建立其离散元分析模型。松软地面由承重层和表层土壤构成，承重层采用边界CAD的建模方法，建立离散元分析模型；表层土壤由若干土壤颗粒构成，可根据颗粒尺寸不同分布，分别采用颗粒尺寸均一、颗粒尺寸正态分布和颗粒尺寸均匀分布三种建模方法。 （2）分析了基于离散元法的车轮与松软地面的相互作用过程。在用离散元法分析车轮与松软地面的相互作用过程时，刚性车轮和弹性车轮分别采用两种计算分析方法。刚性轮车轮与松软地面相互作用时，刚性轮所有边界与土壤颗粒相互作用的合力和合力矩决定了刚性车轮的运动和受力情况。弹性车轮与松软地面相互作用时，轮胎颗粒与土壤颗粒、轮辋颗粒间之间存在着相互作用力，而最终轮辋颗粒的运动和受力情况即是弹性车轮的运动和受力情况。研究还考虑了驱动车轮和从动车轮与松软地面相互作用时工作状况的不同，分别对驱动车轮和从动车轮在启动、制动、匀速工况下的运动过程进行了分析。 （3）选择并建立合理的车轮与松软地面力学模型。车轮与松软地面相互作用过程中需要选择多种合理的力学模型，其中较为重要的是湿土壤和轮胎颗粒力学模型的选择。在土壤含水率达到22%时，选择湿颗粒土壤力学模型。而考虑了轮胎的粘弹性，本文对湿颗粒土壤模型进行了改进，建立了适合轮胎力学特性的改进的湿颗粒力学模型。 （4）测量了车轮和土壤的物理力学性质并建立了其宏观参数和细观参数的关系。本文进行了土壤的物理力学测试，并用离散元法模拟了土壤的直接剪切试验和坚实度试验，得到了土壤的细观力学参数；通过对大量资料进行总结分析，得到刚性轮和弹性轮的物理力学宏观参数，然后依据连续介质离散元法模型的构建方法，得到车轮的细观参数。 （5）对车轮与松软地面相互作用过程进行了离散元仿真分析。利用二维离散元软件对刚性轮牵引性能进行仿真，验证了离散元法分析车轮与松软地面相互作用的可行性。然后通过设置不同的力学模型和参数，可以实现车轮在不同地面上启动、制动等不同工况的动力学仿真，对车轮的动力性能、牵引通过性能、制动性能进行分析，进一步验证了离散元法分析车轮与松软地面相互作用过程的可行性，并为建立一种基于离散元法的车轮与松软地面相互作用过程的数字化分析方法奠定了基础。