对车轮在松软地面上滚动过程的仿真软件的改进

发布时间：2020-07-15 18:14

【摘要】：车辆地面力学,是结合了车辆动力学与土力学对车辆与地面间的相互作用过程进行研究的一门学科。在车辆地面力学研究领域内,学者们对适用于农田、沼泽、沙漠、海滩、月球等各种复杂行驶地面的轮式或履带式车辆进行研究,为提高车辆的通过性进行了大量的理论分析与实验论证,并取得了丰富的研究成果,在农业、军用、探测等各个领域做出了巨大的贡献。在车辆地面力学的研究过程中,国内外学者使用了多种方法实现车辆与地面间的数学关系建模,根据车辆地面力学的发展过程可将这些方法分为如下五类:纯经验法、半经验法、基本理论研究法、模拟试验法和电子计算机模拟法。在这些方法中,基本理论研究法和电子计算机模拟法应用最为广泛,且随着计算机技术的成熟,越来越多的学者将这两种方法进行了结合,基于理论分析建立计算机上的车辆与地面关系模型,用计算机模拟代替纯物理试验,通过对仿真结果进行分析得出结论。使用基本理论研究法存在的一个弊端是,该方法遵循的是连续介质力学法,并不符合土壤地面的实际情况。离散元法是用来分析非连续介质力学行为的一种理论方法,通过将研究对象分离为大量单元体的集合、将运动过程分解为大量极短时刻的集合,令每个单元在每个时刻满足牛顿第二定律,循环迭代全部运动时刻,由每个时刻研究对象的位置变化反映出研究对象在运动过程的整体运动形态变化。基于离散元法的基本思想,使用离散元法研究土壤地面力学是非常合理有效的方法。因此,在离散元法被广泛应用后,众学者以离散元法替换了基本理论研究中的连续介质力学法。本文以车轮与地面间的相互作用过程为研究对象,采用离散元和计算机模拟仿真相结合的方法,基于课题组研制的离散元计算仿真软件Agri DEM,实现了车轮在松软地面上滚动过程的三维模拟仿真功能。本文首先使用离散元法建立土壤地面与车轮的三维模型,再对车轮与地面间的相互作用过程选用接触力学模型进行受力分析和求解,并根据求得的作用力计算车轮与土壤颗粒在每个时刻的速度与位置变化,最后通过循环迭代全部运动时刻车轮与土壤颗粒的位置坐标,得出车轮在土壤地面上滚动过程的模拟演示动图。通过对程序进行测试,可以得知,本文实现了以下主要功能:用户对土壤地面、车轮建模方式的自由设置;用户对土壤地面、车轮各项力学参数的自由设置;对车轮运动过程的性能分析。其中,对土壤地面建模的自由设置表现为:地面模型可选择单一颗粒、多种颗粒两种土壤颗粒生成方法,每种生成方法可自由选择颗粒形状、颗粒尺寸分布情况。对车轮建模的自由设置表现为:车轮模型可选择刚性车轮或弹性车轮两种车轮类型,每种车轮类型都提供了不同车轮个数的模型,对所选车轮的结构参数可进行自由设置,对车轮将要模拟驱动轮或从动轮同样可进行选择。对车轮运动过程的性能分析将以关系曲线图的形式进行表示,如速度—时间关系曲线图等。本程序可满足不同用户的模拟需求。对土壤地面建模方式、力学参数的更改可实现对田地、沼泽、沙漠等不同行驶地面的模拟研究。对车轮建模方式的设置,可对车轮结构参数对车轮通过性的影响进行研究。对车轮力学参数的更改可研究影响车轮动力性的力学因素。性能分析关系图可以用来分析仿真结果的正确性。根据测试结果,本程序已实现研究目的:设计为车辆的设计优化提供理论依据的一种新工具。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U461.51
【图文】：

模型图,颗粒混合,模型,混合颗粒

多种颗粒混合模型

斜坡,地面,土壤,超球

斜坡土壤地面

车轮,刚性,边界

（a） 4 个轮刺（b） 12 个轮刺图 3.1 刚性车轮完成刚性车轮的边界建模后，边界文件中保存的边界既包含土槽边界又边界，为进行区分添加边界类型属性值bwheeltype，默认值为0时表示该土槽边界，当为车轮边界时将取值更改为1。本文为满足多种仿真情况，设置了单个车轮、两个车轮和四个车轮三种。当车轮模型中包含多个车轮时，在相邻的两个车轮中间用横梁进行横梁为一个长方体四楞柱面。在多种车轮模型中，要为每个边界设置所轮编号wheelindex，并将每个车轮的中心坐标与车轮编号相对应。如图

【参考文献】