[發明專利]一種分析車輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法

有效

• 申請號: 201410134643.5
• 申請日: 2014-04-03
• 公開（公告）號: CN103955560B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 臧孟炎;趙春來
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明涉及一種大規模沙石路面的離散元分析法，具體為一種分析車輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法。

背景技術

開發沙漠中的豐富資源，探索月球、火星等未知領域，復雜地形下的軍事作戰，日益緊迫的風沙治理及效率低下的農業生產等都涉及到車輪與松散路面間的相互作用。沙石路面是典型的松散路面，沙石顆粒的非連續特性及其自身的轉動、大位移運動等都會導致路面破壞，從而對車輪的行駛性能產生很大影響。因此，深入地研究車輪與沙石類松軟路面間的相互作用原理，對加速提高我國越野車輛開發水平，促進民用工業、國防事業、農業機械化等的發展具有重要意義。

在該領域的研究方法中，傳統的實驗方法存在周期長、成本高、過程復雜等缺點，而且在觀察沙石顆粒的流動趨勢等方面存在一定的局限性，不能有效地分析沙石顆粒間的細觀參數對車輪行駛行的影響。近年來，隨著計算機技術的飛速發展，仿真方法被越來越多的應用于該領域的研究。有限元方法作為一種傳統的仿真方法，被廣泛應用于該領域的研究，例如采用粘彈性材料（T.Hiroma,S.Wanjii,T.Kataoka,etal.(1998)Stress analysis using FEM on stress distribution under a wheel considering friction with adhesion between a wheel and soil.Journal of Terramechanics,34(4):225-233）或彈塑性材料（J.P.Hambleton,A.Drescher.(2009)Modeling wheel-induced rutting in soils:rolling.Journal of Terramechanics,46(2):35-47和KM.Xia,YM Yang.(2012)Three-dimensional finite element modeling of tire/ground interaction.International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,36(4):498-516等）模擬松軟沙石路面，分析車輪行駛過程的下陷和路面的變形。但是有限元方法不能準確地描述沙石路面的非連續介質特性和沙石顆粒流動性，同時也不能合理模擬復雜的輪胎花紋與沙石顆粒間的相互作用。

Cundall等人于1971提出的離散元方法適用于研究顆粒介質的力學行為（PA.Cundall.(1971)A computer model for simulating progressive large movements in blocky systems.S-ymposium ISRM,Proc,2:129-136）。該方法能夠真實地再現車輪行駛過程中，沙石路面的破壞及顆粒飛濺、流動等現象，可以有效彌補傳統有限元方法的不足，準確地描述沙石路面的非連續介質特性，是地面力學分析中最有前景的分析工具。但是，其在獲得散體單元間的作用力時，效率隨著單元數量規模的增大急劇降低。

然而在實際工程問題中，測試車輪沙石路面行駛性能時，通常需要行駛較長距離，如果對該長度范圍內的沙石顆粒采用離散單元逐一建模，則分析時間過長，仿真分析也失去實際工程意義。

發明內容

本發明提出一種分析車輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法，通過控制分析過程中離散單元的數量，實現對大規模沙石路面的離散元模擬，具體技術方案如下。

一種分析車輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法，其包括：

采用離散單元對沙石路面進行描述：在給定空間范圍內生成離散單元集并使這些離散單元在自重作用下壓實達到穩定狀態，然后將該離散單元集中的離散單元編號、坐標、半徑、速度和加速度信息存儲、備份，該壓實后的離散單元集即為路面樣本塊；

由兩份所述路面樣本塊排列組成初始路面：將備份好的路面樣本塊復制兩份，按照前后順序組成初始路面，初始路面長度等于路面樣本塊的2倍；

令車輪初始位置在第一個路面樣本塊的中間，且車輪由第一個路面樣本塊向第二個路面樣本塊行駛，當車輪行駛距離等于路面樣本塊長度時，將第一個路面樣本塊刪除，同時再在車輪行駛方向的前面鋪設同樣的路面樣本塊。