刚性轮—土壤相互作用的多体动力学仿真研究

减小字体 增大字体 作者:左艳蕊 宗志坚 刘忠途 程 源 樊世超  来源:www.zhonghualunwen.com  发布时间:2009-10-12 23:28:46

  0 引言
  
  越野行驶中,松软地面作用于车轮的滚动阻力、地面推力和有效转动力矩等是影响越野车辆行驶性能的直接因素,开展车轮土壤相互作用课题的研究对越野车辆的设计、性能分析、整车作业效率和松软地面通过性评价等至关重要。至今为止,这方面的研究工作已有不少[1~3]。特别是20世纪70年代以来,随着计算机技术和计算技术的发展,在车轮土壤相互作用课题研究中涌现了大量采用计算机仿真技术得到的研究成果。例如,Andrade等人[4]用有限平面元素方法建立了沙土模型;Wanjii等人[5]使用土壤的粘弹性模型建立了车轮下面土壤的应力分布模型,预测了车轮的行驶性能;Reina等人[6]在此模型基础上提出了改进并测量了车轮的滑转率和沉陷量;Nakashima等人[7]用有限元与离散元相结合的方法对车轮和土壤的相互作用进行了研究。然而,这些研究成果由于使用不便且通常只能计算某种力或某种效果,以及经常需要很长的计算时间(如有限元法)等原因,难以满足越野行驶仿真的工程需要。
  注意到车轮土壤相互作用的本质是车轮与大量土壤微元的大规模接触碰撞问题,以及计算多体系统动力学仿真软件所具备的优点,即可以最大限度地开发计算机对室内土槽系统、车辆行走机构等复杂系统运动学、动力学和控制系统的分析与综合能力。笔者提出了一种新的研究车轮土壤相互作用问题的数值仿真方法。该方法通过三角面网格技术与车辆地面力学理论相结合,建立土壤离散多体力学模型,通过车轮与大规模土壤离散单元的接触碰撞理论和数值求解技术,仿真车轮与土壤间的相互作用。根据此仿真方法与思路,笔者基于自己开发的多体动力学仿真平台,研制了车轮土壤相互作用仿真模块,并构建了实验室单轮土槽系统的多体动力学仿真模型,进行了车轮受力、车轮沉陷、车轮滑转等重要内容的仿真研究。
  本文的讨论重点是车轮土壤相互作用力的仿真计算。首先建立了土壤离散多体模型和车轮土壤系统模型,给出了仿真车轮土壤相互作用的大规模接触碰撞动力学方程。通过构建实验室单轮土槽装置的多体动力学仿真系统,仿真了车轮不同滑转率、不同载荷等工况下的运动并输出了车轮土壤相互作用力仿真结果,最后进行了与实验室土槽测量实验结果的误差对比与分析。
  
  1 土壤多体动力学建模
  
  土壤具有复杂的物理特性和力学特性,车辆地面力学仿真研究工作者提出了多种土壤建模思想和方法[7~9]。根据工程实际需要对仿真速度和仿真效果提出的要求,本文基于文献[9]的建模思想,提出了采用面三角网格将松软土体分割成大规模均匀且紧密排列的离散单元体的方法,如图1所示。其中,单元网格尺寸在[1~10 mm]内取值。每个单元体的面单元节点代表由此单元网格里的所有土壤颗粒组成的土壤颗粒簇。此方法不仅可以减少计算量、缩短计算时间、降低对计算机性能的需求,同时可以兼顾仿真结果的真实性。
  鉴于土壤复杂的重复加载—卸载—沉陷特性[10]以及在平板沉陷实验中呈现出的土壤应力随平板穿透速度增加而增加的阻尼特性[11],本文参考文献[12],采用图2所示的粘弹塑性力学模型建立土壤离散多体动力学模型,以充分反映土壤的粘弹塑特性。图中虚线框部分表示用刚度系数cf和阻尼系数η描述的土壤粘弹性特性,实线框部分表示用屈服常量μp和压缩系数μv描述的土壤塑性特性。本模型描述的土壤动态承载—沉陷关系如下:
  p(t)=cf(z(t)-zp(t))+η(z•(t)-z•p(t))(1)
  p(t)=μvzp(t)+μp(2)
  对式(1)(2)求导并整理得
  (cf+μv)p(t)+ηp•(t)=cfμvz(t)+ημvz•(t)+cfμp(3)
  式(1)~(3)中,z为土壤在车轮荷载作用下的总沉陷量,zp为土壤塑性沉陷量。其中,式(1)描述了土壤粘弹性沉陷平衡关系;式(2)描述了土壤塑性沉陷平衡关系。不同于Bekker静态承压—沉陷半经验公式[1],本模型全面描述了土壤特性,是土壤承压—沉陷的细观、动态模型,非常适用于车轮土壤相互作用的实时仿真。
     2 车轮土壤系统接触碰撞模型的建立
  
  在车轮土壤相互作用仿真的初步工作中,不考虑车轮的转向问题,车轮土壤系统可简化为如图3所示的平面系统。在这个平面系统中,只需考虑作用于车轮的平面力和垂直于此平面(xoz平面)的转动力矩。
  车轮运动过程中,仿真引擎通过接触碰撞检测模块追踪并记录车轮土壤的接触碰撞信息。设某tc时刻碰撞检测模块检测到车轮与N个土壤单元发生碰撞,与M个土壤单元发生接触,则应用第1章中建立的土壤离散多体动力学模型,建立车轮土壤系统的大规模接触碰撞动力学模型,如图3所示。其中:V为车轮质心速度;ω车轮转动角速度;θf为车轮前进角;θr车轮离去角;θi为第i个车轮土壤接触点与车轮竖直轴线的夹角;W为车轮有效载荷;M为驱动力矩;(Fi)ni为第i个车轮土壤接触点处的二维平面接触力的法向分力;(Fi)ti为第i个车轮土壤接触点处的车轮土壤二维平面接触力的切向分力。
  针对tc时刻检测到的车轮土壤接触碰撞信息,仿真引擎的接触碰撞响应模块的计算步骤如下:
  a)对N个碰撞进行响应,计算出N个碰撞冲量并将其应用于车轮,更新车轮碰撞后的运动状态。
  b)重新检测碰撞响应前记录的M个车轮土壤接触点处的法向相对加速度(ai)ni(i=1,2,NA1AD,M)。如果检测到某些接触点处有(ai)ni>0(i=1,2,NA1AD,M),则认为车轮在这些接触点处即将与土壤分离,不再需要对其进行接触力的计算;反之,则记录接触点的索引、位置、法线等相关信息。

[1] [2] [3]  下一页

Tags:

作者:左艳蕊 宗志坚 刘忠途 程 源 樊世超
  • 好的评价 如果您觉得此文章好,就请您
      0%(0)
  • 差的评价 如果您觉得此文章差,就请您
      0%(0)

文章评论评论内容只代表网友观点,与本站立场无关!

   评论摘要(共 0 条,得分 0 分,平均 0 分) 查看完整评论