颗粒轮胎与颗粒地面模型

颗粒轮胎与颗粒地面模型 研究论文(Adicles) 颗粒轮胎与颗粒地面模型 方俊,闫民,许立峰 l量 eV1eW 臣墨曩置翻 北京林业大学工学院,北京100083 【摘要】在对车辆地面力学中轮胎和地面模型研究的基础上,针对各种模型的局 限性,运用散体单元法(DEM)理论,建立了轮胎与地面 的系统力学模型.提出了颗粒轮胎与颗粒地面概念;对轮胎在选定地面上行驶时, 层土壤的应力分布进行了模拟计算,并将计算 结果与相关文献的研究成果进行了比较分析. 【关键词】散体单元法;颗粒轮胎;颗粒地面;本构关系;数值模拟 【中图分类号】0242.26【文献标识码】A【文章编号】1O00—7857(2007)24—0069 —04 ModelofGranuleTyreandGranuleGround FANGJun,YANMin,XULifeng SchoolofTechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China Abstract:Basedonthemodelofthegroundandtyreinterra— mechanics.andduetothelimitationofvariousmodels,theconcept ofthegranuletyreandgranulegroundareputforward.thesystematicmechanicsmodeloftyre andgroundwiththeDiscrete ElementMethodrDEM1iSestablished.ThestressdistributionsoftopsoilwhiletyreiSgoing ontheselectedgroundiSsimulated andanalysed.TheresultiScomparativedwiththeresultsofrelevantreferences. KeyWords:DiscreteElementMethod;particletire;particleground;constitutiverelations;n umeriealsimulation CLCNumber:0242.26DocumentCode:AArticlelD:1000—7857(2007)24—0069—04 0引言 除空气的作用力和重力外,影响地面车辆运动的 力和力矩几乎皆由轮胎与地面接触而产生【ll.因此,研 究轮胎一地面系统动力学特性.对研究车辆性能非常重 要.建立轮胎一地面系统更接近实际工作状况的动力学 模型,一直是车辆行驶理论研究所关注的问. 在计算土壤沉陷所受的法向应力时大多采用贝氏 模型l2-31.该模型假定土壤法向应力的大小等于产生相 同的土壤沉陷时水平板下的平均法向应力.在此假设 条件下确定轮胎下的法向应力分布时.存在两方面问 题:一是轮胎单元既受法向载荷作用又受切向载荷作 用,而平板法仅考虑法向载荷作用:二是轮胎单元与地 面之间有一倾角,且随单元位置不同而变化,而平板却 始终平行于地面.轮胎动力学模型中点接触模型和刚 性辊子模型也没有考虑支承面形状的影响,只认为轮 胎与地面是点接触,这与弹性轮胎作用于柔性地面时 并不相符,而且在实际中很少出现这种情况.因此,建 立弹性轮胎与松软地表相互作用的数学模型,研究土 壤参数,轮胎参数和车辆性能的关系,对轮式越野车辆 的选型和性能预测具有重要意义【5l.本文利用散体 单元法(DEM)建立了轮胎一地面系统的力学模型,所建 立的轮胎模型称为颗粒轮胎,地面模型称为颗粒地面. 1颗粒轮胎与颗粒地面模型 车辆地面力学理论认为.支承面形状是影响车辆 动力学性能的重要因素之一.弹性轮胎变形后.在轮 胎和路面之间形成的接触面积称为轮胎接地印迹或轮 胎支承面积l7l.建立轮胎与地面之问相互作用数学模型 的关键在于确定支承面的形状和应力分布【8l.现有各种 动力学模型无法很好地模拟轮胎接地印迹面的真实形 收稿日期:2007—10—22 基金项目:国家自然科学基金项目(10572027) 作者简介:方俊,北京林业大学工学院,研究方向为车辆;E— mail:mekyking@gmail.com 闰民(通讯作者),北京海淀区林北路柏儒苑小区4D1502室,北京林业大学工学院, 副教授,研究方向为车辆工程,机械动力学 和散体力学:E—mail:yanmin55@sina.com 研究论文(Articles】 =35.,黏聚力C=O,轮胎自重加所受载荷总计100kN. o口i《逝釜 图5支承面上接触力分布 Fig.5Contactforcedistributingonsudace betweentyreandground 为了对比性分析,在上述条件下,本文对表层土体 竖向应力分布情况进行计算,并与文献『19】例3-4—1的 集中力作用下计算结果进行比较(表1). 文献『191计算的集中力作用的结果如图6所示,该 结果与本文模型的计算结果对比如图7所示.图中虚 线为集中力下土体应力分布.实线为颗粒轮胎与颗粒 地面模型将支承面上接触力离散后,土体中应力分布 图7(a)为在同一深度,不同半径r的各点应力分布; 图7(b)为同一半径r,不同深度的各点应力分布图: 图7(c)为半径r=O,不同深度的各点应力分布图;图 7(d)为表示应力扩散的应力分布图(应力泡). JFl=lO0kN , 地基寝丽.一 fHHHHHf" _-_一4vm1-____.J 一3m—— . -.-2tn—? . 1 +,,{暑三\ —^o分布圈 一r 焉 一L t eV1eW 臣墨曩置墨翻 深度z/m距离r/m应力O"z/kPa 3结论 1)在同,深度土体中,应力分布比文献[19]集中力 作用下应力分布更为分散且在深度上较浅.图7(a)中 P=lookN 量盔盟 一,.,,,,?l,『Jr,,,?m?t,,,ftH,ff,f. l!三o=47.SkPa一 :.I -一l (a)某一深度不同半径应力分布(b)仁0时不同深度应力分布 (a)stessdistribut}ng0fsamedepthand(b)Stressdistributingofdifferentdepthand0 differentradius ——r一? o (a) 图6集中力作用计算结果 Fig.6Computationresultofreference【19】 (b)(c) 图7土体应力计算对比 Fig,7Comparisonofsandstress (c】应力泡 (c)Stressbubble 塌 (d) 力在本文模型的离散分布接触力作用下.传播范围较 广且较浅.图7(b)中,O"d分别为本文模型和文献[191 计算的某一半径条件下应力分布的应力最大值.可看 出o-a<o-.分别为在这两个应力最大值时对应的深 度值,本文模型计算的深度较文献『191计算的集中力 下的应力最大值出现深度小,即Za<Z. 3)图7(e)是在r=O时不同深度应力分布.说明本 文模型计算的r=O时的应力分布较文献『191计算结果, 在传播范围上较浅. 4)图7(d)为应力等值线的应力泡,相比之下,在土 体表层.由于接触力是分散的,同一应力值的应力泡宽 度较集中力作用下应力泡宽,而应力扩散深度较集中力 下应力扩散深度略小.实际上车轮在沙地行走时并非受 集中力作用(图5),所以本文构筑的模型更为符合实际. 5)本文构筑的颗粒轮胎和颗粒地面模型计算结果 与文献[19】计算结果,在相同计算条件下,两者应力值 在分布趋势上有很好的一致性,说明了本模型计算的 正确性. 基于DEM(散体单元法)的颗粒轮胎与颗粒地面模 型的提出.是DEM在轮胎一地面模型中的应用.但其本 构关系又与传统的DEM有所不同.颗粒轮胎与颗粒地 面的接触模型可以较为有效地离散接触力分布,在三 维坐标下,可以很好地模拟支承面形状,在计算分析中 可以考虑土壤参数和轮胎参数对车辆性能影响的关 系,这对越野车辆行驶性能的研究及其性能预测具有 重要意义. 参考文献(References) [1】赵友群,郭孔辉.稳态轮胎偏滑力学的发展与展望[J】.汽车技 术.1997(3):1—5. 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