刚性轮—土壤相互作用的多体动力学仿真研究

1、刚性轮土壤相互作用的多体动力学仿真研究         <TABLE     style="PADDING-RIGHT: 10px; PADDING-LEFT: 10px; PADDING-BOTTOM: 10px; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 10px"     cellSpacing=0 cellPadding=3 width="96%" align=

2、center     border=0>                                                

3、;      0 弁言越野行驶中,松软地面感化于车轮的转动阻力、地面推力和有用迁移转变力矩等是影响越野车辆行驶机能的直接身分,开展车轮泥土互相感化课题的研讨对越野车辆的计划、机能阐发、整车功课服从和松软地面经由过程性评价等至关主要。至今为止,这方面的研讨事情已有不少13。特殊是20世纪70年月以来,跟着盘算机技能和盘算技能的生长,在车轮泥土互相感化课题研讨中出现了大批接纳盘算机仿真技能获得的研讨功效。比方,Andrade等人4用有限平面元素要领创建了沙土模子;Wanjii等人?5利用泥土的粘弹性模子创建了车轮下面泥土的应力漫衍模子,展

4、望了车轮的行驶机能;Reina等人6在此模子根本上提出了革新并丈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连系的要领对车轮和泥土的互相感化举行了研讨。然而,这些研讨功效因为利用未便且每每只能盘算某种力或某种结果,以及常常须要很长的盘算时候(若有限元法)等缘故原由,难以满意越野行驶仿真的工程须要。留意到车轮泥土互相感化的实质是车轮与大批泥土微元的大范围打仗碰撞题目,结构设计论文以及盘算多系统统动力学仿真软件所具备的长处,即可以最大限度地开辟盘算机对室内土槽体系、车辆行走机构等庞大体系活动学、动力学和掌握体系的阐发与综合本领。笔者提出了一种新的研讨车轮泥土互相感化题目的

5、数值仿真要领。该要领经由过程三角面网格技能与车辆地面力学理论相连系,创建泥土离散多体力学模子,经由过程车轮与大范围泥土离散单位的打仗碰撞理论和数值求解技能,仿真车轮与泥土间的互相感化。凭据此仿真要领与思绪,笔者基于本身开辟的多体动力学仿真平台,研制了车轮泥土互相感化仿真模块,并构建了尝试室单轮土槽体系的多体动力学仿真模子,举行了车轮受力、车轮沉陷、车轮滑转等主要内容的仿真研讨。本文的评论辩论重点是车轮泥土互相感化力的仿真盘算。起首创建了泥土离散多体模子和车轮泥土体系模子,给出了仿真车轮泥土互相感化的大范围打仗碰撞动力学方程。论文撰写论文经由过程构建尝试室单轮土槽装配的多体动力学仿真体系,仿真了

6、车轮差别滑转率、差别载荷等工况下的活动并输出了车轮泥土互相感化力仿真效果,末了举行了与尝试室土槽丈量尝试效果的偏差比拟与阐发。1 泥土多体动力学建模泥土具有庞大的物理特征和力学特征,车辆地面力学仿真研讨事情者提出了多种泥土建模头脑和要领79。凭据工程现实须要对仿真速率和仿真结果提出的请求,本文基于文献9的建模头脑,提出了接纳面三角网格将松软土体支解成大范围匀称且精密分列的离散单位体的要领,如图1所示。此中,单位网格尺寸在110 mm内取值。每个单位体的面单位节点代表由此单位网格里的全部泥土颗粒构成的泥土颗粒簇。此要领不但可以淘汰盘算量、收缩盘算时候、低落对盘算机机能的需求,同时可以分身仿真效果

7、的真实性。鉴于泥土庞大的反复加载卸载沉陷特征10以及在平板沉陷尝试中出现出的泥土应力随平板穿透速率增长而增长的阻尼特征11,本文参考文献12,接纳图2所示的粘弹塑性力学模子创建泥土离散多体动力学模子,以充实反应泥土的粘弹塑特征。图中虚线框部门表现用刚度系数?c?f?给水排水论文和阻尼系数形貌的泥土粘弹性特征,实线框部门表现用屈从常量?p?和紧缩系数?v?形貌的泥土塑性特征。本模子形貌的泥土动态承载沉陷干系如下:p(t)=c?f(z(t)-z?p(t)+(z(t)-z?p(t)(1)p(t)=?v?z?p?(t)+?p?(2)对式(1)(2)求导并清算得(c?f+?v)p(t)+p(t)=c?f

8、?vz(t)+?vz(t)+c?f?p(3)式(1)(3)中,z为泥土在车轮荷载感化下的总沉陷量,z?p?为泥土塑性沉陷量。此中,式(1)形貌了泥土粘弹性沉陷均衡干系;式(2)形貌了泥土塑性沉陷均衡干系。差别于Bekker?静态承压沉陷半履历公式1,本模子周全形貌了泥土特征,是泥土承压沉陷的细不雅、动态模子,异常实用于车轮泥土互相感化的及时仿真。 2 车轮泥土体系打仗碰撞模子的创建在车轮泥土互相感化仿真的开端事情中,不思量车轮的转向题目,车轮泥土体系可简化为如图3所示的平面体系。在这个平面体系中,只需思量感化于车轮的平面力和垂直于此平面(?xoz?平面)的迁移转变力矩。车轮活动历程中,仿真引擎

9、经由过程打仗碰撞检测模块追踪并记载车轮泥土的打仗碰撞信息。设某?t?c?时候碰撞检测模块检测到车轮与N个泥土单位产生碰撞,与M个泥土单位产生打仗,则运用第1章中创建的泥土离散多体动力学模子,人力资源管理论文创建车轮泥土体系的大范围打仗碰撞动力学模子,如图3所示。此中:V为车轮质心速率;车轮迁移转变角速率;?f?为车轮进步角;?r?车轮拜别角;?i?为第i个车轮泥土打仗点与车轮竖直轴线的夹角;W为车轮有用载荷;M为驱动力矩;(F?i)?n?i?为第i个车轮泥土打仗点处的二维平面打仗力的法向分力;(F?i)?t?i?为第i个车轮泥土打仗点处的车轮泥土二维平面打仗力的切向分力。针对t?c?时候检测到

10、的车轮泥土打仗碰撞信息,仿真引擎的打仗碰撞相应模块的盘算步调如下:?a?)对N个碰撞举行相应,盘算出N个碰撞冲量并将其运用于车轮,更新车轮碰撞后的活动状况。?b?)从新检测碰撞相应前记载的M个车轮泥土打仗点处的法向相对加快度(a?i)?n?i?(i=1,2,?NA1AD?,M)。要是检测到某些打仗点处有(a?i)?n?i?>0(i=1,2,?NA1AD?,M),则以为车轮在这些打仗点处即将与泥土分别,不再须要对其举行打仗力的盘算;反之,则记载打仗点的索引、地位、法线等相干信息。?c?)全部M个打仗检测完毕后,国债研究论文假设车轮与泥土间依然存在m个打仗,则参考文献13创建车轮泥土体系的打

11、仗动力学模子以及线性打仗赔偿前提:a=AF+b,?with?a?n(t?c)0F?n(t?c)0F?n(t?c)a?n(t?c)=0(4)此中,广义相对加快度向量aR?(2m)×1?和广义打仗力向量FR?(2m)×1?的详细情势如下:a=(a?1)?n?1?,(a?1)?t?1?,(a?2)?n?2?,(a?2)?t?2?,?NA1AD?,(a?m)?n?m?,(a?m)?t?m?)?T?F=(F?1)?n?1?,(F?1)?t?1?,(F?2)?n?2?,(F?2)?t?2?,?NA1AD?,(F?m)?n?m?,(F?m)?t?m?)?T?  

12、60;  <TABLE     style="PADDING-RIGHT: 10px; PADDING-LEFT: 10px; PADDING-BOTTOM: 10px; LINE-HEIGHT: 22px; PADDING-TOP: 10px"     cellSpacing=0 cellPadding=3 width="96%" align=center     border=0>  

13、60;            上述为一个线性赔偿题目,运用求解这类题目的成熟的?Baraff?数值算法13求解获得包罗车轮泥土体系全部打仗点处打仗力的广义打仗力向量F。 因为车辆在松软地面上行驶时常常产生打滑征象,本文将车轮泥土的打仗题目归                        &

14、#160;              上述为一个线性赔偿题目,运用求解这类题目的成熟的?Baraff?数值算法13求解获得包罗车轮泥土体系全部打仗点处打仗力的广义打仗力向量F。因为车辆在松软地面上行驶时常常产生打滑征象,本文将车轮泥土的打仗题目归结为动摩擦打仗题目。凭据形貌松软泥土弱抗剪特征的?Janosi?公式14,并连系形貌物体动摩擦打仗题目中切向打仗力与法向打仗力之间干系的库仑摩擦定律,本文参考文献15提出了如下实用于本仿真的切向摩擦力盘算模子:(F?i)?t

15、?i?=?min?(cS?i+(F?i)?n?i?tan?,?t(F?i)?n?i?)(1-?e?-j?i/k?)(5)此中:c为泥土内聚力;为泥土内摩擦角;S?i?为打仗点i地点打仗面元的面积;?t?为动摩擦系数;k为泥土程度剪切位移模量;j?i?为车轮上打仗点i的剪切位移,与其地点地位?i?、车轮进步角?f?和车轮滑转率s有关。经推导,有如下盘算式:j?i?=r?(?f?-?i?)-(1-s)(?sin?f?-?sin?i?)(6)3 车轮受力盘算模子盘算获得车轮泥土打仗地区里的广义打仗力向量F后,对图3中所示的打仗地区里全部打仗点处的法向打仗力(F?i)?n?i?的程度分量乞降,获得车轮

16、的转动阻力:R=mi=1(F?i)?n?i?sin?i(7)对全部打仗点处的切向打仗力(F?i)?t?i?的程度分量乞降,获得车轮的地面推力:H=mi=1(F?i)?t?i?cos?i(8)获得车轮的转动阻力和地面推力之后,即有车轮挂钩牵引力:DP=H-R(9)全部切向打仗力(F?i)?t?i?对车轮轮心的力矩之和便是车轮的有用迁移转变力矩:M?e=mi=1r×(F?i)?t?i?(10)4 土槽仿真体系民族主义论文带有细密测控设置装备摆设的室内土槽测试体系是地面力学中的一种主要尝试设置装备摆设,利用土槽测试体系可以丈量行走机构的转动阻力、供给的牵引力、行驶的滑转率、牵引服从和车轮在

17、泥土中的下陷量等参数。土槽尝试不受气候等身分的影响,泥土参数和加载前提易于掌握,其尝试效果具有可比拟性16。为查验车轮泥土互相感化仿真模块的仿真效果,本文在自行研制的多系统统动力学仿真平台上构建了仿真界面如图4所示的土槽仿真体系。4.1 土槽仿真平台构建单轮土槽仿真体系的机器部件如图4所示,重要由三大部门构成:?a?)掌握车轮活动的导轨、台架和车轮轴;?b?)车轮;?c?)土槽。各部件间的物理束缚环境如表1所示。部件间的相对活动经由过程驱动束缚掌握,如经由过程圆柱副间隔驱动束缚掌握台加快度为0.03?m/s?,经由过程角驱动束缚掌握车轮迁移转变角速率在0.10.4?rad/s?范畴内取值等。表

18、1 仿真体系物理束缚束缚被束缚刚体束缚答应的刚体活动牢固束缚导轨无圆柱副间隔驱动束缚台架与导轨台架和导轨可沿圆柱副的z轴(与天下坐标系的x轴偏向雷同)迁移转变和移动,此中移动速率可控圆柱副束缚车轮基座与台架车轮基座与台架可沿圆柱副的z轴(与天下坐标系的z轴偏向雷同)迁移转变和移动?迁移转变副束缚车轮与车轮基座车轮与车轮基座可沿迁移转变副的z轴(与天下坐标系的y轴偏向雷同)迁移转变?角驱动束缚车轮与导轨驱动车轮迁移转变,并掌握车轮的迁移转变角速率?4.2 被试车轮和泥土参数教育心理学论文影响车轮泥土互相感化结果的车轮自身计划参数和泥土力学参数许多,此中刚性车轮的荷载、直径、胎面宽度、胎面外形和质

19、料、轮刺高度、轮刺数目等参数和泥土的沉陷指数?n、变形模量k、切线模量K、内聚力c、内摩擦角、紧缩系数?v?、屈从强度?p?、泥土刚度系数c?f?和阻尼系数等参数是影响车轮受力的主要参数。表2列写了被试车轮和泥土的信息。4.3 尝试计划计划为举行仿真效果的比拟阐发及验证,本文根据三种车轮载荷,多个滑转率正交连系的尝试计划,举行了多组仿真尝试。此中,车轮载荷的拔取以质量轻、事情情况重力场小的月球车车轮荷载为根据,分离拔取W?1?=100?N?,W?2?=200?N?和W?3?=300?N?。由车辆地面力学尝试履历,车轮最佳滑转率约莫在10%,是以在滑转率拔取上接纳010%渐密,10%阁下最密,10%100%?渐疏的原则。5 效果阐发为举行仿真效果的有用阐发,笔者在北京航空航天大学汽车工程系计划的行星探测车车轮行走机能尝试台上同时举行了丈量尝试。该尝试台重要包罗土槽体、机器体系、数据收罗与掌握体系。丈量与仿真的尝试前提以及被试车轮、泥土等完整对应。在土槽仿真体系的仿真运算历程中,取仿真时候步长?t=0.01?s?。对大批仿真实例盘算时候的统计表现,仿真体系30?s?的活动,平凡设置台式盘算机运行的时候约莫为20?min?阁下。跟着盘算机硬件机能的生长以及本仿真软