基于GPU并行的DEM-FEM方法研究及其在越野轮胎沙地行驶性能分析中的应用

发布时间：2021-01-11 04:31

　　轮胎与沙地的相互作用直接影响越野车辆的行驶性能,因而研究轮胎与沙地的相互作用对于改善越野车辆沙地路面的通过性、动力性和平顺性等问题具有重要的意义。理论分析、试验研究和数值仿真方法是目前评价越野轮胎沙地行驶性能的主要手段。本文在实验室前期工作的基础上,系统地研究了基于GPU（Graphics Processing Unit）并行计算的离散元与有限元耦合方法（Discrete-finite element method,DEM-FEM）,并将其应用于轮胎沙地行驶性能仿真分析。首先,鉴于越野轮胎花纹形状复杂、沙粒轮胎之间接触形式多样,提出了一种适用于处理复杂结构与散体颗粒相互作用的线性离散元与有限元接触算法—DZCell算法。该接触算法包括全局搜索与局部搜索两部分。全局搜索中,针对接触区域内的每个离散单元,直接寻找可能与其接触的有限元接触面,提高了接触算法的效率和鲁棒性。局部搜索中,考虑离散颗粒与轮胎之间所有可能的接触形式,提高了接触算法的准确性。通过相关算例,确认了本文提出的DZCell接触算法的有效性。然后,考虑到沙地模型中离散元数目庞大、且轮胎沙地性能仿真评价需要较长现象时间等问题,开... 

【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：131 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 数值方法在轮胎沙地行驶分析中的应用现状
        1.2.1 离散元法在轮胎沙地行驶分析中的应用
        1.2.2 有限元法在轮胎沙地行驶分析中的应用
        1.2.3 离散元与有限元耦合方法在轮胎沙地行驶分析中的应用
    1.3 GPU并行在数值方法中的应用
        1.3.1 GPU并行在离散元方法中的应用
        1.3.2 GPU并行在有限元方法中的应用
        1.3.3 GPU并行在离散元与有限元耦合方法中的应用
    1.4 本文研究路线及工作概述
        1.4.1 研究路线
        1.4.2 工作概述
第二章 动力有限元与颗粒离散元基本理论
    2.1 引言
    2.2 动力有限元基本理论
        2.2.1 更新拉格朗日格式
        2.2.2 有限元离散
        2.2.3 六面体等参单元
        2.2.4 中心差分法
        2.2.5 应力更新
    2.3 颗粒离散元基本理论
        2.3.1 运动方程及求解
        2.3.2 单元间接触力的计算
    2.4 本章小结
第三章 离散元与有限元耦合DZCell接触算法研究
    3.1 引言
    3.2 全局搜索
        3.2.1 接触区域分解
        3.2.2 构造包围盒
        3.2.3 单元定位
        3.2.4 确定潜在接触对
        3.2.5 数据结构
        3.2.6 算法实现
    3.3 局部搜索
        3.3.1 点面接触
        3.3.2 点边接触
        3.3.3 点点接触
        3.3.4 算法实现
    3.4 接触力计算
    3.5 接触计算方法性能比较
        3.5.1 计算效率
        3.5.2 鲁棒性
        3.5.3 准确性
    3.6 数值算例
        3.6.1 球撞板问题
        3.6.2 颗粒滚筒问题
        3.6.3 刚性车轮沙地行驶问题
    3.7 本章小结
第四章 基于GPU并行的离散元与有限元耦合方法及性能评价
    4.1 引言
    4.2 CUDAFORTRAN编程模型
        4.2.1 线程及其组织形式
        4.2.2 存储模型
        4.2.3 执行模型
        4.2.4 编程实例
    4.3 基于GPU并行的离散元与有限元耦合方法
        4.3.1 接触搜索
        4.3.2 接触力计算
        4.3.3 信息更新
    4.4 流程图
    4.5 数值算例
        4.5.1 漏斗卸料问题
        4.5.2 立方槽颗粒压实问题
    4.6 本章小结
第五章 轮胎沙地行驶性能仿真分析
    5.1 引言
    5.2 土槽试验
        5.2.1 试验装置
        5.2.2 试验过程
        5.2.3 基于PID理论的轮胎加载
    5.3 轮胎沙地离散元与有限元耦合计算模型
        5.3.1 沙地离散元模型
        5.3.2 充气轮胎有限元模型
        5.3.3 充气轮胎沙地离散元与有限元耦合计算模型
    5.4 仿真分析系统及PDFP-OVS简介
        5.4.1 仿真分析系统
        5.4.2 PDFP-OVS简介
    5.5 充气轮胎沙地行驶性能仿真
        5.5.1 仿真分析
        5.5.2 仿真结果与讨论
        5.5.3 GPU并行的加速性能
    5.6 本章小结
结论与展望
参考文献
攻读博士学位期间取得的研究成果
致谢
附件


【参考文献】：
期刊论文
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[2]轮面曲率半径对沙地刚性轮沉陷性能影响研究[J]. 张锐,吉巧丽,张四华,刘芳,李建桥.  农业机械学报. 2016(11)
[3]基于GPU的图形学加速算法在离散元法中的应用[J]. 鲍春永,赵啦啦,刘万英,杨康康.  计算机应用与软件. 2016(06)
[4]基于FEM/DEM的轮胎-沙地相互作用的仿真[J]. 赵春来,臧孟炎.  华南理工大学学报(自然科学版). 2015(08)
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博士论文
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硕士论文
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[2]基于GPU的颗粒离散元计算时间评估及优化[D]. 王明.大连理工大学 2014
[3]非规则结构车轮/散体模拟月壤相互作用动态仿真系统研究[D]. 刘芳.吉林大学 2013
[4]基于GPU的颗粒离散元计算方法研究[D]. 常新正.大连理工大学 2013
[5]月球车轮壤作用关系的刚柔结合仿真研究[D]. 赵广生.吉林大学 2012
[6]月球车轮壤系统仿真分析[D]. 刘琳琳.吉林大学 2012
[7]离散元与有限元面内耦合算法的研究及应用[D]. 余洁冰.华南理工大学 2011
[8]三维GVT动力学模型研究[D]. 叶克东.北京林业大学 2011
[9]车辆轮胎与土壤接触变形的有限元分析[D]. 薛雪.西北农林科技大学 2010
[10]汽车轮胎在泥泞路面行驶过程三维有限元计算[D]. 唐宏.华中科技大学 2006



本文编号：2970091