基于離散元與有限元混合路面樣本模型的沙石路面更替法
【專利摘要】一種基于離散元與有限元混合路面樣本模型的沙石路面更替法，主要包括：將輪胎接地面區(qū)域及近鄰區(qū)域的沙石路面采用離散單元進(jìn)行描述得到離散元樣本路面；將接近輪胎接地區(qū)域且可能發(fā)生明顯變形但不會發(fā)生破壞的沙地路面用有限單元描述得到有限元樣本路面；將有限元樣本路面和離散元樣本路面生成混合樣本路面；將所述混合樣本路面的信息保存于計(jì)算機(jī)內(nèi)存中；復(fù)制兩份混合樣本路面按照前后順序組成車輪行駛的初始路面；當(dāng)車輪行駛的距離等于混合路面樣本長度時(shí)，將第一塊路面樣本塊刪除，同時(shí)在車輪行駛方向鋪設(shè)同樣的混合樣本路面。本發(fā)明在保證精度的前提下可以顯著提高計(jì)算效率，對研究越野車在大規(guī)模沙石路面行駛時(shí)車輛的通過性具有重要意義。
【專利說明】
基于離散元與有限元混合路面樣本模型的沙石路面更替法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明是基于離散元與有限元耦合方法的沙石路面車輛行駛性能評價(jià)的路面更替分析方法，具體為一種分析單個(gè)車輪或整車在沙石路面行駛性能的離散元與有限元混合路面樣本模型路面更替法。
【背景技術(shù)】
[0002]越野車輛在泥濘路面的工作，行星探測車在探測星球(火星、月球等)表面時(shí)的工作狀態(tài)，農(nóng)業(yè)用機(jī)械和工程機(jī)械的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及工程建設(shè)作業(yè)，大都涉及到車輛車輪在松軟沙石路面的行為。輪胎作用后的沙石表現(xiàn)出來的復(fù)雜力學(xué)響應(yīng)(大位移、自身的滑轉(zhuǎn)等)會對車輪和整車產(chǎn)生很大的影響，如導(dǎo)致車輪空轉(zhuǎn)以及下陷等，關(guān)系到越野車在作業(yè)時(shí)的工作效率、作業(yè)的能力、作業(yè)時(shí)能量的損耗等。因此，深入研究越野車輛與沙地間的相互作用，對越野汽車、行星探測車、農(nóng)業(yè)機(jī)械以及工程機(jī)械的設(shè)計(jì)、性能評估和預(yù)測等具有重要的指導(dǎo)意義。
[0003]因此，許多學(xué)者采用不同的方法對越野車輛與沙石地面相互作用進(jìn)行了深入的研究。傳統(tǒng)研究主要包括:
[0004]采用純經(jīng)驗(yàn)法，通過對土壤的特性進(jìn)行觀察和測量，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，推測越野車是否能夠在沙石路面通過。采用模型實(shí)驗(yàn)法，一般是通過室內(nèi)土槽實(shí)驗(yàn)和室外場地實(shí)驗(yàn)研究越野車輛沙石路面的通過性，為車輛的設(shè)計(jì)與性能評估提供依據(jù)。
[0005]但傳統(tǒng)的研究方法存在周期長、成本高、過程復(fù)雜等缺點(diǎn)，而且不能從微觀的角度分析輪胎與沙石路面的相互作用，尤其在某些特殊的環(huán)境下(星球表面的探測等)，實(shí)驗(yàn)研究難以有效實(shí)施。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，仿真技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于車輪與路面相互作用的研究領(lǐng)域。有限元方法因其成熟的理論等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域。利用有限元方法可以模擬車輪與松軟的沙石路面的相互作用，得到車輪在行駛過程中的輪胎下陷量和路面的宏觀變形。但有限元分析方法在描述沙石顆粒等非連續(xù)介質(zhì)的細(xì)觀現(xiàn)象時(shí)存在明顯的不足。
[0006]Cundal I等人于1971首次提出適于研究分析非連續(xù)顆粒介質(zhì)的力學(xué)行為的離散元方法。該方法有效彌補(bǔ)了有限元方法的不足，能夠模擬車輪行駛過程中沙石路面的細(xì)觀現(xiàn)象如路面的破壞及顆粒飛濺、流動等現(xiàn)象。但是，離散元方法難以描述復(fù)雜胎面結(jié)構(gòu)的充氣輪胎。
[0007]非專利文獻(xiàn)I金大.輕載荷剛性輪胎-月面系統(tǒng)動力學(xué)研究[D]:吉林大學(xué)，2013
[0008]非專利文獻(xiàn)2SladeJ.L.Development of a new off-road rigid ring modelfor truck tires using finite element analysis techniques[D]:The PennsylvaniaState University,2009
[0009]非專利文獻(xiàn)3NankaliN.,Namjoo M.,Maleki M.R.Stress Analysis of TractorTire Interacting with Soil using 2D Finite Element Method[J].1nternat1nalJournal of Advanced Design and Manufacturing Technology,2012,5(3):107-111
[0010]非專利文獻(xiàn)4GonzAlezC.0.，Iglesias C.C.E.,Recarey M.C.A.，et al.Threedimens1nal finite element model of soil compact1n caused by agriculturaltire traffic[J].Computers and Electronics in Agriculture,2013,99:146-152
[0011]非專利文獻(xiàn)5NakashimaH.,Fujii H.，0ida A.，et al.Discrete elementmethod analysis of single wheel performance for a small lunar rover on slopedterrain[J].Journal of Terramechanics，2010，47:307-321
[0012]離散元與有限元耦合方法該方法可以解決上述問題，即使用有限元方法分析輪胎、離散元方法分析沙粒的力學(xué)行為，輪胎和沙粒間的相互作用通過離散元和有限元耦合方法解決。但是越野汽車沙地行駛性能測試區(qū)間全部模型化，將導(dǎo)致巨量的離散單元規(guī)模而使得仿真分析無法實(shí)現(xiàn)。
[0013]非專利文獻(xiàn)6NakashimaH., Takatsu Y., Shinone H.Analysis of tiretractive performance on deformable terrain by finite element-discrete elementmethod[J].J Comput Sci Techn(JSME),2008,4(2):423-434
[0014]非專利文獻(xiàn)7NakashimaH.,Takatsu Y.,Shinone H.FE-DEM analysis of theeffect of tread pattern on the tractive performance of tires operating onsand[J].J Mech Transport Log(JSME)，2009，2(I):55-65
[0015]非專利文獻(xiàn)8Zhao，C.L.，Zang，M.Y.，2014.Analysisof rigid tire tract1nperformance on a sandy soil by 3D finite element-discrete elementmethod.J.Terramech.55，29-37
[0016]非專利文獻(xiàn)9Michael，M.，Vogel，F(xiàn).,PetersjB., 2015.DEM-FEM couplingsimulat1ns of the interact1ns between a tire tread and granularterrain.Comput.Methods Appl.Mech.Eng.289，227-248
[0017]為了解決上述問題，同時(shí)考慮到車輪碾壓過的沙地對車輛行駛性能影響甚微，我們提出了交替移動路面法的發(fā)明專利申請(臧孟炎，趙春來，一種分析車輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法，申請?zhí)?201410134643.5)。該方法首先生成一定長度的離散元樣本路面，使用兩端標(biāo)準(zhǔn)路面構(gòu)成車輪行駛區(qū)間，即初始仿真模型；當(dāng)車輪滾過一個(gè)樣本路面長度后，刪除滾過的樣本路面，且拷貝一個(gè)樣本路面置于車輪前進(jìn)方向，實(shí)現(xiàn)一定離散元模型規(guī)模下任意長度路面車輪行駛性能的仿真分析。
[0018]但是，仔細(xì)觀察越野車輛的沙地行駛行為后，我們發(fā)現(xiàn):沙地路面的破壞集中在車轍臨近區(qū)域，兩個(gè)車轍之間和車轍之外的沙地盡管發(fā)生了變形，但是并沒有發(fā)生破壞。為進(jìn)一步提高計(jì)算效率，我們提出一種基于離散元與有限元混合路面樣本模型的沙石路面更替法，以應(yīng)用于越野車輛沙石路面行駛性能仿真分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本發(fā)明提出了一種基于離散元與有限元耦合的離散元與有限元混合路面樣本模型路面更替法。該混合路面樣本模型由離散元部分和有限元部分組成。輪胎接地面區(qū)域及近鄰區(qū)域(即路面發(fā)生顯著破壞區(qū)域)的沙石路面采用球形離散單元進(jìn)行描述;未發(fā)生破壞、但是變形明顯的沙石路面使用有限元方法建模，離散元區(qū)域和有限元區(qū)域界面的相互作用使用離散元與有限元耦合接觸計(jì)算方法，以實(shí)現(xiàn)樣本路面中離散元區(qū)域的最小化，以提尚計(jì)算效率。
[0020]具體技術(shù)方案如下:
[0021]—種基于離散元與有限元混合路面樣本模型的沙石路面更替法，主要包括:
[0022]將輪胎接地面區(qū)域及近鄰區(qū)域的沙石路面采用離散單元進(jìn)行描述:在指定的空間內(nèi)隨機(jī)生成給定尺寸大小分布的球形離散單元集合，在自重的情況下使球形離散單元集合壓實(shí)后處于穩(wěn)定狀態(tài)，得到離散元樣本路面；
[0023]將接近輪胎接地區(qū)域且可能發(fā)生明顯變形但不會發(fā)生破壞的沙地路面用有限單元描述:在與離散元樣本路面長度一致、且寬度適當(dāng)?shù)目臻g區(qū)域，生成六面體有限元，得到有限元樣本路面；
[0024]將有限元樣本路面和離散元樣本路面生成混合樣本路面:在有限元樣本路面和離散元樣本路面的界面上，采用罰函數(shù)法將球形離散單元與六面體有限單元綁定，構(gòu)成離散元與有限元的混合樣本路面，以實(shí)現(xiàn)離散單元樣本路面和有限單元樣本路面之間運(yùn)動和力學(xué)信息的傳遞；
[0025]將所述混合樣本路面的單元信息、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息保存于計(jì)算機(jī)內(nèi)存中；
[0026]復(fù)制兩份混合樣本路面按照前后順序組成車輪行駛的初始路面；
[0027]在初始狀態(tài)下，車輪位于第I塊混合樣本路面的中間位置，指定車輪的行駛方向由第I塊混合樣本路面通往第2塊混合樣本路面，當(dāng)車輪行駛的距離等于混合路面樣本長度時(shí)，將第一塊路面樣本塊刪除，同時(shí)在車輪行駛方向鋪設(shè)同樣的混合樣本路面。
[0028]進(jìn)一步地，所述形成離散元樣本路面步驟具體包括:
[0029]確定適當(dāng)?shù)臉颖韭访骈L度、寬度，以及離散元區(qū)域的寬度；
[0030]在離散元區(qū)域內(nèi)根據(jù)給定路面沙粒的粒徑分布生成隨機(jī)排列的球形離散單元；[0031 ]加載重力加速度壓實(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)后得到離散元樣本路面。
[0032]進(jìn)一步地，所述車輪行駛的過程中，混合樣本路面規(guī)模始終是兩塊樣本路面的長度，車輪在沙地的行駛過程，就是該混合樣本路面不斷重復(fù)更新的過程。
[0033]進(jìn)一步地，混合樣本路面不斷重復(fù)更新的過程具體為:
[0034]設(shè)定車輪的初始位置為第一塊混合樣本路面的中間，當(dāng)車輪按照預(yù)定的方向行駛到第二塊混合樣本路面中間位置的時(shí)候，刪除第一塊混合樣本路面，同時(shí)在第二塊樣本路面的前方鋪設(shè)拷貝的第三塊混合樣本路面，此時(shí)，第二塊混合樣本路面和第三塊混合樣本路面組成第一次更新后的混合樣本路面。
[0035]進(jìn)一步地，所述刪除第一塊混合樣本路面，同時(shí)在第二塊樣本路面的前方鋪設(shè)拷貝的第三塊混合樣本路面的步驟具體包括:
[0036]將第一塊混合樣本路面單元集BO中的離散單元和有限單元信息置零，同時(shí)，將混合樣本單元集J復(fù)制一份，記為B2，并將B2中的離散單元的X坐標(biāo)值增加2d，單元編號記為I?Nd，將B2中的有限單元的X坐標(biāo)值增加2d，單元編號記為I?Nf實(shí)現(xiàn)B1、B2在X方向的順序排列，此時(shí)，沙石路面的大小仍為2*d*(2a+b)*h’，且單元總數(shù)與更替之前保持不變，路面區(qū)域范圍更改為:
[0037]X: d?3d, Y: -a/2_b?a/2+b, Z: O?h，；
[0038]隨后，將離散單元和有限單元接觸判斷的搜索范圍修改為:
[0039]X:d?3d，Y:-a/2_b?a/2+b，Z:0?h，；
[0040]沿車輪行駛方向重復(fù)以上過程，實(shí)現(xiàn)車輪沙石路面行駛性能分析時(shí)的混合樣本路面更替。
[0041]與當(dāng)前技術(shù)比較，本發(fā)明專利有如下優(yōu)勢和技術(shù)效果:
[0042]與有限元方法相比，離散元方法由于需要單元間的接觸計(jì)算使得計(jì)算效率很低。采用本發(fā)明方法仿真分析越野車輛沙石路面行駛性能，在保證精度的前提下可以顯著提高計(jì)算效率。另一方面，本發(fā)明的沙石路面由離散元部分和有限元部分組成，其中車輪接地區(qū)域采用離散元描述，兩輪之間、兩輪之外靠近輪轍的路面雖發(fā)生變形但并沒有破壞的區(qū)域采用有限單元離散，有限單元區(qū)域和離散單元區(qū)域界面采用罰函數(shù)法進(jìn)行處理，在計(jì)算時(shí)間一定的前提下有限單元的尺寸可以更小以提高計(jì)算精度，本發(fā)明對研究越野車在大規(guī)模沙石路面行駛時(shí)車輛的通過性具有重要意義。
【附圖說明】
[0043]圖1表示執(zhí)行本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0044]圖2本發(fā)明實(shí)施流程圖。
[0045]圖2-1表示流程圖中的組成初始路面過程C的詳細(xì)流程圖。
[0046]圖2-2表示流程圖中的混合樣本單元路面更替過程D的詳細(xì)流程圖。
[0047]圖3表示混合樣本路面單元集J。
[0048]圖4表示初始混合樣本路面。
[0049 ]圖5表示車輪在初始混合樣本路面中間位置。
[0050]圖6表示混合路面單元更替過程，在X-Y方向當(dāng)車輪行駛到混合樣本單元集BI中間位置時(shí)，刪除沿X方向O?d之間的混合樣本單元集BO，同時(shí)在X方向2d?3d區(qū)域鋪設(shè)混合樣本路面集。
[0051]圖6-1表示混合路面單元更替過程，在X-Z方向當(dāng)車輪行駛到混合樣本單元集BI中間位置時(shí)，刪除沿X方向O?d之間的混合樣本單元集BO，同時(shí)在X方向2d?3d區(qū)域鋪設(shè)混合樣本路面集。
【具體實(shí)施方式】
[0052]下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明的目的作進(jìn)一步詳細(xì)地描述，實(shí)施例不能在此一一贅述，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不因此限定于以下實(shí)施例。
[0053]本發(fā)明的實(shí)施裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括中央處理器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、內(nèi)存儲器設(shè)備及外部存儲器設(shè)備。其中，中央處理器(CPU)用于對讀入、分析、更新等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理，是執(zhí)行本發(fā)明的關(guān)鍵部分;輸入設(shè)備如鼠標(biāo)、鍵盤等，用于輸入數(shù)據(jù)和程序計(jì)算的初始模型;輸出設(shè)備用于顯示計(jì)算后的分析結(jié)果數(shù)據(jù)和信息，以圖表、字符等形式表現(xiàn)出來。常用的輸出設(shè)備例如顯示器、打印機(jī)等；內(nèi)存儲器設(shè)備(RAM/R0M)主要是用于暫時(shí)存儲中央處理器(CPU)的分析結(jié)果，便于調(diào)用；外存儲器設(shè)備主要是將輸出結(jié)果保存便于后處理中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
[0054]—種基于離散元與有限元混合路面樣本模型的沙石路面更替法，主要包括:
[0055]將輪胎接地面區(qū)域及近鄰區(qū)域(即路面發(fā)生顯著破壞區(qū)域)的沙石路面采用離散單元進(jìn)行描述:在指定的空間內(nèi)隨機(jī)生成給定尺寸大小分布的球形離散單元集合，在自重的情況下使球形離散單元集合壓實(shí)后處于穩(wěn)定狀態(tài)，得到離散元樣本路面；
[0056]將接近輪胎接地區(qū)域且可能發(fā)生明顯變形但不會發(fā)生破壞的沙地路面用有限單元描述:在與離散元樣本路面長度一致、且寬度適當(dāng)?shù)目臻g區(qū)域，生成六面體有限元，得到有限元樣本路面；
[0057]將有限元樣本路面和離散元樣本路面生成混合樣本路面:在有限元樣本路面和離散元樣本路面的界面上，采用罰函數(shù)法將球形離散單元與六面體有限單元綁定，構(gòu)成離散元與有限元的混合樣本路面，以實(shí)現(xiàn)離散單元樣本路面和有限單元樣本路面之間運(yùn)動和力學(xué)信息的傳遞；
[0058]將所述混合樣本路面的單元信息、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息保存于計(jì)算機(jī)內(nèi)存中；
[0059]復(fù)制兩份混合樣本路面按照前后順序組成車輪行駛的初始路面；
[0060]在初始狀態(tài)下，車輪位于第I塊混合樣本路面的中間位置，指定車輪的行駛方向由第I塊混合樣本路面通往第2塊混合樣本路面，當(dāng)車輪行駛的距離等于混合路面樣本長度時(shí)，將第一塊路面樣本塊刪除，同時(shí)在車輪行駛方向鋪設(shè)同樣的混合樣本路面。
[0061 ]具體而言，所述形成離散元樣本路面步驟具體包括:
[0062]確定適當(dāng)?shù)臉颖韭访骈L度、寬度，以及離散元區(qū)域的寬度；
[0063]在離散元區(qū)域內(nèi)根據(jù)給定路面沙粒的粒徑分布生成隨機(jī)排列的球形離散單元；
[0064]加載重力加速度壓實(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)后得到離散元樣本路面。
[0065]具體而言，所述車輪行駛的過程中，混合樣本路面規(guī)模始終是兩塊樣本路面的長度，車輪在沙地的行駛過程，就是該混合樣本路面不斷重復(fù)更新的過程。
[0066]具體而言，混合樣本路面不斷重復(fù)更新的過程具體為:
[0067]設(shè)定車輪的初始位置為第一塊混合樣本路面的中間，當(dāng)車輪按照預(yù)定的方向行駛到第二塊混合樣本路面中間位置的時(shí)候，刪除第一塊混合樣本路面，同時(shí)在第二塊樣本路面的前方鋪設(shè)拷貝的第三塊混合樣本路面，此時(shí)，第二塊混合樣本路面和第三塊混合樣本路面組成第一次更新后的混合樣本路面。
[0068]具體而言，所述刪除第一塊混合樣本路面，同時(shí)在第二塊樣本路面的前方鋪設(shè)拷貝的第三塊混合樣本路面的步驟具體包括:
[0069]將第一塊混合樣本路面單元集BO中的離散單元和有限單元信息置零，同時(shí)，將混合樣本單元集J復(fù)制一份，記為B2，并將B2中的離散單元的X坐標(biāo)值增加2d，單元編號記為I?Nd，將B2中的有限單元的X坐標(biāo)值增加2d，單元編號記為I?Nf實(shí)現(xiàn)B1、B2在X方向的順序排列，此時(shí)，沙石路面的大小仍為2*d*(2a+b)*h’，且單元總數(shù)與更替之前保持不變，路面區(qū)域范圍更改為:
[0070]X:d?3d,Y:-a/2_b?a/2+b,Z:O?h，；
[0071]隨后，將離散單元和有限單元接觸判斷的搜索范圍修改為:
[0072]X:d?3d，Y:-a/2_b?a/2+b，Z:0?h，；
[0073]沿車輪行駛方向重復(fù)以上過程，實(shí)現(xiàn)車輪沙石路面行駛性能分析時(shí)的混合樣本路面更替。
[0074]本發(fā)明的實(shí)施流程圖如圖2所示，主要包括初始混合樣本單元模型信息的讀入;混合樣本單元的自重壓實(shí)及備份;調(diào)用備份混合樣本單元集并復(fù)制兩份，按順序排列組成初始路面圖2-1;將車輪放置于初始路面上;給車輪加載角速度ω。使其沿初始路面排列方向行駛;滿足更替條件時(shí)執(zhí)行混合樣本元路面更替(圖2-2);輸出并存儲結(jié)果。
[0075]首先建立混合樣本單元集的初始模型:在給定空間區(qū)域內(nèi)(離散單元部分空間范圍為:X方向O?d,Y方向-a/2?a/2,Z方向O?h，其中Z方向?yàn)樨Q直方向，a，d，h的大小根據(jù)車輪尺寸和路面特性等具體參數(shù)確定)隨機(jī)生成給定半徑范圍的離散單元集，單元數(shù)目記為Nd，單元編號為Ι-Nd。隨后，建立有限單元集的初始模型(有限單元部分空間區(qū)域?yàn)?X方向O?d，Y方向_a/2?-a/2_b;a/2?a/2+b，Z方向O?h，其中Z方向?yàn)樨Q直方向，a，b，d，h根據(jù)車輛、車輪尺寸和路面特性具體參數(shù)確定)，有限單元集的單元數(shù)目即為Np，單元編號為I?Nf.，.在該混合樣本路面區(qū)域周圍及底部添加無反射邊界條件，在有限單元和離散單元交界面處使用罰函數(shù)法進(jìn)行處理。接著，添加重力場，使這些離散單元在自身重力作用下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。待單元信息達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后對的離散單元的編號、坐標(biāo)、半徑、速度和加速度信息進(jìn)行存儲，將此刻的混合樣本單元集記為J，也即路面樣本塊，如圖3所示。其空間區(qū)域范圍變?yōu)閄方向O?d，Y方向-a/2-b?a/2+b，Z方向O?h’，h’<h，其中Z方向?yàn)樨Q直方向。自重壓實(shí)過程中離散單元間的接觸判斷采用WiIliams JR等人于2004年提出的C_grid算法。其次，組成初始路面;將混合樣本散單元集J復(fù)制兩份，分別記為BO和BI。然后，沿X方向?qū)⒒旌蠘颖韭访婕疊O，BI，按前后順序排列，組成初始路面，如圖4所示。具體實(shí)現(xiàn)方法為;混合單元集BO保持不變，將混合單元集BO中的所有混合單元集合的X坐標(biāo)值都增加d，離散單元的編號修改為ND+1?2ND。最終生成的初始路面的大小為2*d*(2a+b)*h’，區(qū)域范圍為X:0?2d，Y:-a/2-b?a/2+b，Z:0?h,離散單元數(shù)目為2Nd，離散單元的編號為I?2Nd，有限單元數(shù)目為2Nf，有限單元的編號為I?2Nf。
[0076]然后，將車輪置于混合樣本路面單元集BO所在區(qū)域的中間位置，給車輪加載角速度，使車輪沿X正方向BO指向BI方向)行駛，如圖5所示。同時(shí)，修改混合樣本路面單元接觸判斷的搜索范圍(改為X;0?2d，Y:-a/2-b?a/2+b，Z:O?h’，此時(shí)混合樣本模型中離散單元數(shù)目為2Nd，有限單元數(shù)目為2Nf。
[0077]混合樣本路面的更替:當(dāng)車輪行駛至離散單元集BI所在區(qū)域的中點(diǎn)位置時(shí)，將對車輪行駛性能沒有影響的混合樣本單元集BO(其包含的離散單元的單元編號為I?Nd，有限單元編號為I?2Nf)刪除，同時(shí)在BI的前端添加一個(gè)新的混合樣本單元集B2，由混合樣本單元集BI和B2組成新的沙石路面，完成第一次路面更替，如圖6和6-1所示。實(shí)現(xiàn)方法為:將混合樣本路面單元集BO中的離散單元和有限單元信息置零(即刪除單元)，同時(shí)，將混合樣本單元集J復(fù)制一份，記為B2，并將B2中的離散單元的X坐標(biāo)值增加2d，單元編號記為I?Nd，將B2中的有限單元的X坐標(biāo)值增加2d，單元編號記為I?Nf實(shí)現(xiàn)BI，B2在X方向的順序排列。此時(shí)，沙石路面的大小仍為2*d*(2a+b)*h’，且單元總數(shù)與更替之前保持不變，路面區(qū)域范圍更改為(X:d?3d，Y:-a/2_b?a/2+b，Z:0?h’，)。隨后，將離散單元和有限單元接觸判斷的搜索范圍修改為(X: d?3d，Y: -a/2-b?a/2+b，Z: O?h ’)。沿車輪行駛方向重復(fù)以上過程，實(shí)現(xiàn)車輪沙石路面行駛性能分析時(shí)的混合單元路面更替。
[0078]綜上所述，本發(fā)明提出的一種混合樣本路面更替法是基于離散單元集與有限單元集。越野車輛車輪在行駛過程中不斷的鋪設(shè)新的路面和不斷的刪除舊的路面來不斷的更新路面。該混合樣本路面模型由離散元部分和有限元部分組成。輪胎接地面處及周圍區(qū)域的沙石路面采用離散單元集進(jìn)行描述;將兩輪之間、兩輪之外未發(fā)生路面破壞的模型化區(qū)域沙地使用有限元方法計(jì)算。并且通過控制越野車輛車輪在行駛過程中的混合樣本單元的數(shù)目在一定范圍內(nèi)，這樣極大的提高了模擬分析的計(jì)算效率，使工程上大尺度問題的解決成為可能。本發(fā)明對農(nóng)業(yè)工程機(jī)械、沙漠車輛探測、星球探測作業(yè)工程的模擬分析同樣適用。
[0079]本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于離散元與有限元混合路面樣本模型的沙石路面更替法，其特征在于，主要包括: 將輪胎接地面區(qū)域及近鄰區(qū)域的沙石路面采用離散單元進(jìn)行描述:在指定的空間內(nèi)隨機(jī)生成給定尺寸大小分布的球形離散單元集合，在自重的情況下使球形離散單元集合壓實(shí)后處于穩(wěn)定狀態(tài)，得到離散元樣本路面； 將接近輪胎接地區(qū)域且可能發(fā)生明顯變形但不會發(fā)生破壞的沙地路面用有限單元描述:在與離散元樣本路面長度一致、且寬度適當(dāng)?shù)目臻g區(qū)域，生成六面體有限元，得到有限元樣本路面； 將有限元樣本路面和離散元樣本路面生成混合樣本路面:在有限元樣本路面和離散元樣本路面的界面上，采用罰函數(shù)法將球形離散單元與六面體有限單元綁定，構(gòu)成離散元與有限元的混合樣本路面，以實(shí)現(xiàn)離散單元樣本路面和有限單元樣本路面之間運(yùn)動和力學(xué)信息的傳遞； 將所述混合樣本路面的單元信息、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息保存于計(jì)算機(jī)內(nèi)存中； 復(fù)制兩份混合樣本路面按照前后順序組成車輪行駛的初始路面； 在初始狀態(tài)下，車輪位于第I塊混合樣本路面的中間位置，指定車輪的行駛方向由第I塊混合樣本路面通往第2塊混合樣本路面，當(dāng)車輪行駛的距離等于混合路面樣本長度時(shí)，將第一塊路面樣本塊刪除，同時(shí)在車輪行駛方向鋪設(shè)同樣的混合樣本路面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離散元與有限元混合路面樣本模型的沙石路面更替法，其特征在于，所述形成離散元樣本路面步驟具體包括: 確定適當(dāng)?shù)臉颖韭访骈L度、寬度，以及離散元區(qū)域的寬度； 在離散元區(qū)域內(nèi)根據(jù)給定路面沙粒的粒徑分布生成隨機(jī)排列的球形離散單元； 加載重力加速度壓實(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)后得到離散元樣本路面。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離散元與有限元混合路面樣本模型的沙石路面更替法，其特征在于:所述車輪行駛的過程中，混合樣本路面規(guī)模始終是兩塊樣本路面的長度，車輪在沙地的行駛過程，即為該混合樣本路面不斷重復(fù)更新的過程。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離散元與有限元混合路面樣本模型的沙石路面更替法，其特征在于:混合樣本路面不斷重復(fù)更新的過程具體為: 設(shè)定車輪的初始位置為第一塊混合樣本路面的中間，當(dāng)車輪按照預(yù)定的方向行駛到第二塊混合樣本路面中間位置的時(shí)候，刪除第一塊混合樣本路面，同時(shí)在第二塊樣本路面的前方鋪設(shè)拷貝的第三塊混合樣本路面，此時(shí)，第二塊混合樣本路面和第三塊混合樣本路面組成第一次更新后的混合樣本路面。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離散元與有限元混合路面樣本模型的沙石路面更替法，其特征在于:所述刪除第一塊混合樣本路面，同時(shí)在第二塊樣本路面的前方鋪設(shè)拷貝的第三塊混合樣本路面的步驟具體包括: 將第一塊混合樣本路面單元集BO中的離散單元和有限單元信息置零，同時(shí)，將混合樣本單元集J復(fù)制一份，記為B2，并將B2中的離散單元的X坐標(biāo)值增加2d，單元編號記為I?Nd，將B2中的有限單元的X坐標(biāo)值增加2d，單元編號記為I?Nf實(shí)現(xiàn)B1、B2在X方向的順序排列，此時(shí)，沙石路面的大小仍為2*d*(2a+b)*h’，且單元總數(shù)與更替之前保持不變，路面區(qū)域范圍更改為: X:d?3d，Y:-a/2_b?a/2+b，Z:0?h’ ； 隨后，將離散單元和有限單元接觸判斷的搜索范圍修改為: X:d?3d，Y:-a/2_b?a/2+b，Z:0?h’ ； 沿車輪行駛方向重復(fù)以上過程，實(shí)現(xiàn)車輪沙石路面行駛性能分析時(shí)的混合樣本路面更替。
【文檔編號】G06F17/50GK105868500SQ201610250088
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】臧孟炎, 曾海洋, 鄭祖美
【申請人】華南理工大學(xué)