[发明专利]一种分析车轮沙石路面行驶性能的离散元路面更替法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大规模沙石路面的离散元分析法，具体为一种分析车轮沙石路面行驶性能的离散元路面更替法。

背景技术

开发沙漠中的丰富资源，探索月球、火星等未知领域，复杂地形下的军事作战，日益紧迫的风沙治理及效率低下的农业生产等都涉及到车轮与松散路面间的相互作用。沙石路面是典型的松散路面，沙石颗粒的非连续特性及其自身的转动、大位移运动等都会导致路面破坏，从而对车轮的行驶性能产生很大影响。因此，深入地研究车轮与沙石类松软路面间的相互作用原理，对加速提高我国越野车辆开发水平，促进民用工业、国防事业、农业机械化等的发展具有重要意义。

在该领域的研究方法中，传统的实验方法存在周期长、成本高、过程复杂等缺点，而且在观察沙石颗粒的流动趋势等方面存在一定的局限性，不能有效地分析沙石颗粒间的细观参数对车轮行驶行的影响。近年来，随着计算机技术的飞速发展，仿真方法被越来越多的应用于该领域的研究。有限元方法作为一种传统的仿真方法，被广泛应用于该领域的研究，例如采用粘弹性材料（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）或弹塑性材料（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）模拟松软沙石路面，分析车轮行驶过程的下陷和路面的变形。但是有限元方法不能准确地描述沙石路面的非连续介质特性和沙石颗粒流动性，同时也不能合理模拟复杂的轮胎花纹与沙石颗粒间的相互作用。

Cundall等人于1971提出的离散元方法适用于研究颗粒介质的力学行为（PA.Cundall.(1971)A computer model for simulating progressive large movements in blocky systems.S-ymposium ISRM,Proc,2:129-136）。该方法能够真实地再现车轮行驶过程中，沙石路面的破坏及颗粒飞溅、流动等现象，可以有效弥补传统有限元方法的不足，准确地描述沙石路面的非连续介质特性，是地面力学分析中最有前景的分析工具。但是，其在获得散体单元间的作用力时，效率随着单元数量规模的增大急剧降低。

然而在实际工程问题中，测试车轮沙石路面行驶性能时，通常需要行驶较长距离，如果对该长度范围内的沙石颗粒采用离散单元逐一建模，则分析时间过长，仿真分析也失去实际工程意义。

发明内容

本发明提出一种分析车轮沙石路面行驶性能的离散元路面更替法，通过控制分析过程中离散单元的数量，实现对大规模沙石路面的离散元模拟，具体技术方案如下。

一种分析车轮沙石路面行驶性能的离散元路面更替法，其包括：

采用离散单元对沙石路面进行描述：在给定空间范围内生成离散单元集并使这些离散单元在自重作用下压实达到稳定状态，然后将该离散单元集中的离散单元编号、坐标、半径、速度和加速度信息存储、备份，该压实后的离散单元集即为路面样本块；

由两份所述路面样本块排列组成初始路面：将备份好的路面样本块复制两份，按照前后顺序组成初始路面，初始路面长度等于路面样本块的2倍；

令车轮初始位置在第一个路面样本块的中间，且车轮由第一个路面样本块向第二个路面样本块行驶，当车轮行驶距离等于路面样本块长度时，将第一个路面样本块删除，同时再在车轮行驶方向的前面铺设同样的路面样本块。