基于离散元与有限元混合路面样本模型的沙石路面更替法
【专利摘要】一种基于离散元与有限元混合路面样本模型的沙石路面更替法，主要包括：将轮胎接地面区域及近邻区域的沙石路面采用离散单元进行描述得到离散元样本路面；将接近轮胎接地区域且可能发生明显变形但不会发生破坏的沙地路面用有限单元描述得到有限元样本路面；将有限元样本路面和离散元样本路面生成混合样本路面；将所述混合样本路面的信息保存于计算机内存中；复制两份混合样本路面按照前后顺序组成车轮行驶的初始路面；当车轮行驶的距离等于混合路面样本长度时，将第一块路面样本块删除，同时在车轮行驶方向铺设同样的混合样本路面。本发明在保证精度的前提下可以显著提高计算效率，对研究越野车在大规模沙石路面行驶时车辆的通过性具有重要意义。
【专利说明】
基于离散元与有限元混合路面样本模型的沙石路面更替法
技术领域
[0001]本发明是基于离散元与有限元耦合方法的沙石路面车辆行驶性能评价的路面更替分析方法，具体为一种分析单个车轮或整车在沙石路面行驶性能的离散元与有限元混合路面样本模型路面更替法。
【背景技术】
[0002]越野车辆在泥泞路面的工作，行星探测车在探测星球(火星、月球等)表面时的工作状态，农业用机械和工程机械的农业生产及工程建设作业，大都涉及到车辆车轮在松软沙石路面的行为。轮胎作用后的沙石表现出来的复杂力学响应(大位移、自身的滑转等)会对车轮和整车产生很大的影响，如导致车轮空转以及下陷等，关系到越野车在作业时的工作效率、作业的能力、作业时能量的损耗等。因此，深入研究越野车辆与沙地间的相互作用，对越野汽车、行星探测车、农业机械以及工程机械的设计、性能评估和预测等具有重要的指导意义。
[0003]因此，许多学者采用不同的方法对越野车辆与沙石地面相互作用进行了深入的研究。传统研究主要包括:
[0004]采用纯经验法，通过对土壤的特性进行观察和测量，然后进行实验对比，推测越野车是否能够在沙石路面通过。采用模型实验法，一般是通过室内土槽实验和室外场地实验研究越野车辆沙石路面的通过性，为车辆的设计与性能评估提供依据。
[0005]但传统的研究方法存在周期长、成本高、过程复杂等缺点，而且不能从微观的角度分析轮胎与沙石路面的相互作用，尤其在某些特殊的环境下(星球表面的探测等)，实验研究难以有效实施。随着计算机技术的快速发展，仿真技术被广泛地应用于车轮与路面相互作用的研究领域。有限元方法因其成熟的理论等特点广泛应用于该领域。利用有限元方法可以模拟车轮与松软的沙石路面的相互作用，得到车轮在行驶过程中的轮胎下陷量和路面的宏观变形。但有限元分析方法在描述沙石颗粒等非连续介质的细观现象时存在明显的不足。
[0006]Cundal I等人于1971首次提出适于研究分析非连续颗粒介质的力学行为的离散元方法。该方法有效弥补了有限元方法的不足，能够模拟车轮行驶过程中沙石路面的细观现象如路面的破坏及颗粒飞溅、流动等现象。但是，离散元方法难以描述复杂胎面结构的充气轮胎。
[0007]非专利文献I金大.轻载荷刚性轮胎-月面系统动力学研究[D]:吉林大学，2013
[0008]非专利文献2SladeJ.L.Development of a new off-road rigid ring modelfor truck tires using finite element analysis techniques[D]:The PennsylvaniaState University,2009
[0009]非专利文献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]非专利文献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]非专利文献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]离散元与有限元耦合方法该方法可以解决上述问题，即使用有限元方法分析轮胎、离散元方法分析沙粒的力学行为，轮胎和沙粒间的相互作用通过离散元和有限元耦合方法解决。但是越野汽车沙地行驶性能测试区间全部模型化，将导致巨量的离散单元规模而使得仿真分析无法实现。
[0013]非专利文献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
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[0015]非专利文献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]非专利文献9Michael，M.，Vogel，F.,PetersjB., 2015.DEM-FEM couplingsimulat1ns of the interact1ns between a tire tread and granularterrain.Comput.Methods Appl.Mech.Eng.289，227-248
[0017]为了解决上述问题，同时考虑到车轮碾压过的沙地对车辆行驶性能影响甚微，我们提出了交替移动路面法的发明专利申请(臧孟炎，赵春来，一种分析车轮沙石路面行驶性能的离散元路面更替法，申请号:201410134643.5)。该方法首先生成一定长度的离散元样本路面，使用两端标准路面构成车轮行驶区间，即初始仿真模型；当车轮滚过一个样本路面长度后，删除滚过的样本路面，且拷贝一个样本路面置于车轮前进方向，实现一定离散元模型规模下任意长度路面车轮行驶性能的仿真分析。
[0018]但是，仔细观察越野车辆的沙地行驶行为后，我们发现:沙地路面的破坏集中在车辙临近区域，两个车辙之间和车辙之外的沙地尽管发生了变形，但是并没有发生破坏。为进一步提高计算效率，我们提出一种基于离散元与有限元混合路面样本模型的沙石路面更替法，以应用于越野车辆沙石路面行驶性能仿真分析。
【发明内容】
[0019]本发明提出了一种基于离散元与有限元耦合的离散元与有限元混合路面样本模型路面更替法。该混合路面样本模型由离散元部分和有限元部分组成。轮胎接地面区域及近邻区域(即路面发生显著破坏区域)的沙石路面采用球形离散单元进行描述;未发生破坏、但是变形明显的沙石路面使用有限元方法建模，离散元区域和有限元区域界面的相互作用使用离散元与有限元耦合接触计算方法，以实现样本路面中离散元区域的最小化，以提尚计算效率。
[0020]具体技术方案如下:
[0021]—种基于离散元与有限元混合路面样本模型的沙石路面更替法，主要包括:
[0022]将轮胎接地面区域及近邻区域的沙石路面采用离散单元进行描述:在指定的空间内随机生成给定尺寸大小分布的球形离散单元集合，在自重的情况下使球形离散单元集合压实后处于稳定状态，得到离散元样本路面；
[0023]将接近轮胎接地区域且可能发生明显变形但不会发生破坏的沙地路面用有限单元描述:在与离散元样本路面长度一致、且宽度适当的空间区域，生成六面体有限元，得到有限元样本路面；
[0024]将有限元样本路面和离散元样本路面生成混合样本路面:在有限元样本路面和离散元样本路面的界面上，采用罚函数法将球形离散单元与六面体有限单元绑定，构成离散元与有限元的混合样本路面，以实现离散单元样本路面和有限单元样本路面之间运动和力学信息的传递；
[0025]将所述混合样本路面的单元信息、节点坐标信息保存于计算机内存中；
[0026]复制两份混合样本路面按照前后顺序组成车轮行驶的初始路面；
[0027]在初始状态下，车轮位于第I块混合样本路面的中间位置，指定车轮的行驶方向由第I块混合样本路面通往第2块混合样本路面，当车轮行驶的距离等于混合路面样本长度时，将第一块路面样本块删除，同时在车轮行驶方向铺设同样的混合样本路面。
[0028]进一步地，所述形成离散元样本路面步骤具体包括:
[0029]确定适当的样本路面长度、宽度，以及离散元区域的宽度；
[0030]在离散元区域内根据给定路面沙粒的粒径分布生成随机排列的球形离散单元；[0031 ]加载重力加速度压实处于稳定状态后得到离散元样本路面。
[0032]进一步地，所述车轮行驶的过程中，混合样本路面规模始终是两块样本路面的长度，车轮在沙地的行驶过程，就是该混合样本路面不断重复更新的过程。
[0033]进一步地，混合样本路面不断重复更新的过程具体为:
[0034]设定车轮的初始位置为第一块混合样本路面的中间，当车轮按照预定的方向行驶到第二块混合样本路面中间位置的时候，删除第一块混合样本路面，同时在第二块样本路面的前方铺设拷贝的第三块混合样本路面，此时，第二块混合样本路面和第三块混合样本路面组成第一次更新后的混合样本路面。
[0035]进一步地，所述删除第一块混合样本路面，同时在第二块样本路面的前方铺设拷贝的第三块混合样本路面的步骤具体包括:
[0036]将第一块混合样本路面单元集BO中的离散单元和有限单元信息置零，同时，将混合样本单元集J复制一份，记为B2，并将B2中的离散单元的X坐标值增加2d，单元编号记为I?Nd，将B2中的有限单元的X坐标值增加2d，单元编号记为I?Nf实现B1、B2在X方向的顺序排列，此时，沙石路面的大小仍为2*d*(2a+b)*h’，且单元总数与更替之前保持不变，路面区域范围更改为:
[0037]X: d?3d, Y: -a/2_b?a/2+b, Z: O?h，；
[0038]随后，将离散单元和有限单元接触判断的搜索范围修改为:
[0039]X:d?3d，Y:-a/2_b?a/2+b，Z:0?h，；
[0040]沿车轮行驶方向重复以上过程，实现车轮沙石路面行驶性能分析时的混合样本路面更替。
[0041]与当前技术比较，本发明专利有如下优势和技术效果:
[0042]与有限元方法相比，离散元方法由于需要单元间的接触计算使得计算效率很低。采用本发明方法仿真分析越野车辆沙石路面行驶性能，在保证精度的前提下可以显著提高计算效率。另一方面，本发明的沙石路面由离散元部分和有限元部分组成，其中车轮接地区域采用离散元描述，两轮之间、两轮之外靠近轮辙的路面虽发生变形但并没有破坏的区域采用有限单元离散，有限单元区域和离散单元区域界面采用罚函数法进行处理，在计算时间一定的前提下有限单元的尺寸可以更小以提高计算精度，本发明对研究越野车在大规模沙石路面行驶时车辆的通过性具有重要意义。
【附图说明】
[0043]图1表示执行本发明的装置结构图。
[0044]图2本发明实施流程图。
[0045]图2-1表示流程图中的组成初始路面过程C的详细流程图。
[0046]图2-2表示流程图中的混合样本单元路面更替过程D的详细流程图。
[0047]图3表示混合样本路面单元集J。
[0048]图4表示初始混合样本路面。
[0049 ]图5表示车轮在初始混合样本路面中间位置。
[0050]图6表示混合路面单元更替过程，在X-Y方向当车轮行驶到混合样本单元集BI中间位置时，删除沿X方向O?d之间的混合样本单元集BO，同时在X方向2d?3d区域铺设混合样本路面集。
[0051]图6-1表示混合路面单元更替过程，在X-Z方向当车轮行驶到混合样本单元集BI中间位置时，删除沿X方向O?d之间的混合样本单元集BO，同时在X方向2d?3d区域铺设混合样本路面集。
【具体实施方式】
[0052]下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
[0053]本发明的实施装置结构示意图如图1所示，包括中央处理器、输入设备、输出设备、内存储器设备及外部存储器设备。其中，中央处理器(CPU)用于对读入、分析、更新等数据进行计算和处理，是执行本发明的关键部分;输入设备如鼠标、键盘等，用于输入数据和程序计算的初始模型;输出设备用于显示计算后的分析结果数据和信息，以图表、字符等形式表现出来。常用的输出设备例如显示器、打印机等；内存储器设备(RAM/R0M)主要是用于暂时存储中央处理器(CPU)的分析结果，便于调用；外存储器设备主要是将输出结果保存便于后处理中进行数据分析。
[0054]—种基于离散元与有限元混合路面样本模型的沙石路面更替法，主要包括:
[0055]将轮胎接地面区域及近邻区域(即路面发生显著破坏区域)的沙石路面采用离散单元进行描述:在指定的空间内随机生成给定尺寸大小分布的球形离散单元集合，在自重的情况下使球形离散单元集合压实后处于稳定状态，得到离散元样本路面；
[0056]将接近轮胎接地区域且可能发生明显变形但不会发生破坏的沙地路面用有限单元描述:在与离散元样本路面长度一致、且宽度适当的空间区域，生成六面体有限元，得到有限元样本路面；
[0057]将有限元样本路面和离散元样本路面生成混合样本路面:在有限元样本路面和离散元样本路面的界面上，采用罚函数法将球形离散单元与六面体有限单元绑定，构成离散元与有限元的混合样本路面，以实现离散单元样本路面和有限单元样本路面之间运动和力学信息的传递；
[0058]将所述混合样本路面的单元信息、节点坐标信息保存于计算机内存中；
[0059]复制两份混合样本路面按照前后顺序组成车轮行驶的初始路面；
[0060]在初始状态下，车轮位于第I块混合样本路面的中间位置，指定车轮的行驶方向由第I块混合样本路面通往第2块混合样本路面，当车轮行驶的距离等于混合路面样本长度时，将第一块路面样本块删除，同时在车轮行驶方向铺设同样的混合样本路面。
[0061 ]具体而言，所述形成离散元样本路面步骤具体包括:
[0062]确定适当的样本路面长度、宽度，以及离散元区域的宽度；
[0063]在离散元区域内根据给定路面沙粒的粒径分布生成随机排列的球形离散单元；
[0064]加载重力加速度压实处于稳定状态后得到离散元样本路面。
[0065]具体而言，所述车轮行驶的过程中，混合样本路面规模始终是两块样本路面的长度，车轮在沙地的行驶过程，就是该混合样本路面不断重复更新的过程。
[0066]具体而言，混合样本路面不断重复更新的过程具体为:
[0067]设定车轮的初始位置为第一块混合样本路面的中间，当车轮按照预定的方向行驶到第二块混合样本路面中间位置的时候，删除第一块混合样本路面，同时在第二块样本路面的前方铺设拷贝的第三块混合样本路面，此时，第二块混合样本路面和第三块混合样本路面组成第一次更新后的混合样本路面。
[0068]具体而言，所述删除第一块混合样本路面，同时在第二块样本路面的前方铺设拷贝的第三块混合样本路面的步骤具体包括:
[0069]将第一块混合样本路面单元集BO中的离散单元和有限单元信息置零，同时，将混合样本单元集J复制一份，记为B2，并将B2中的离散单元的X坐标值增加2d，单元编号记为I?Nd，将B2中的有限单元的X坐标值增加2d，单元编号记为I?Nf实现B1、B2在X方向的顺序排列，此时，沙石路面的大小仍为2*d*(2a+b)*h’，且单元总数与更替之前保持不变，路面区域范围更改为:
[0070]X:d?3d,Y:-a/2_b?a/2+b,Z:O?h，；
[0071]随后，将离散单元和有限单元接触判断的搜索范围修改为:
[0072]X:d?3d，Y:-a/2_b?a/2+b，Z:0?h，；
[0073]沿车轮行驶方向重复以上过程，实现车轮沙石路面行驶性能分析时的混合样本路面更替。
[0074]本发明的实施流程图如图2所示，主要包括初始混合样本单元模型信息的读入;混合样本单元的自重压实及备份;调用备份混合样本单元集并复制两份，按顺序排列组成初始路面图2-1;将车轮放置于初始路面上;给车轮加载角速度ω。使其沿初始路面排列方向行驶;满足更替条件时执行混合样本元路面更替(图2-2);输出并存储结果。
[0075]首先建立混合样本单元集的初始模型:在给定空间区域内(离散单元部分空间范围为:X方向O?d,Y方向-a/2?a/2,Z方向O?h，其中Z方向为竖直方向，a，d，h的大小根据车轮尺寸和路面特性等具体参数确定)随机生成给定半径范围的离散单元集，单元数目记为Nd，单元编号为Ι-Nd。随后，建立有限单元集的初始模型(有限单元部分空间区域为: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方向为竖直方向，a，b，d，h根据车辆、车轮尺寸和路面特性具体参数确定)，有限单元集的单元数目即为Np，单元编号为I?Nf.，.在该混合样本路面区域周围及底部添加无反射边界条件，在有限单元和离散单元交界面处使用罚函数法进行处理。接着，添加重力场，使这些离散单元在自身重力作用下达到稳定状态。待单元信息达到稳定状态后对的离散单元的编号、坐标、半径、速度和加速度信息进行存储，将此刻的混合样本单元集记为J，也即路面样本块，如图3所示。其空间区域范围变为X方向O?d，Y方向-a/2-b?a/2+b，Z方向O?h’，h’<h，其中Z方向为竖直方向。自重压实过程中离散单元间的接触判断采用WiIliams JR等人于2004年提出的C_grid算法。其次，组成初始路面;将混合样本散单元集J复制两份，分别记为BO和BI。然后，沿X方向将混合样本路面集BO，BI，按前后顺序排列，组成初始路面，如图4所示。具体实现方法为;混合单元集BO保持不变，将混合单元集BO中的所有混合单元集合的X坐标值都增加d，离散单元的编号修改为ND+1?2ND。最终生成的初始路面的大小为2*d*(2a+b)*h’，区域范围为X:0?2d，Y:-a/2-b?a/2+b，Z:0?h,离散单元数目为2Nd，离散单元的编号为I?2Nd，有限单元数目为2Nf，有限单元的编号为I?2Nf。
[0076]然后，将车轮置于混合样本路面单元集BO所在区域的中间位置，给车轮加载角速度，使车轮沿X正方向BO指向BI方向)行驶，如图5所示。同时，修改混合样本路面单元接触判断的搜索范围(改为X;0?2d，Y:-a/2-b?a/2+b，Z:O?h’，此时混合样本模型中离散单元数目为2Nd，有限单元数目为2Nf。
[0077]混合样本路面的更替:当车轮行驶至离散单元集BI所在区域的中点位置时，将对车轮行驶性能没有影响的混合样本单元集BO(其包含的离散单元的单元编号为I?Nd，有限单元编号为I?2Nf)删除，同时在BI的前端添加一个新的混合样本单元集B2，由混合样本单元集BI和B2组成新的沙石路面，完成第一次路面更替，如图6和6-1所示。实现方法为:将混合样本路面单元集BO中的离散单元和有限单元信息置零(即删除单元)，同时，将混合样本单元集J复制一份，记为B2，并将B2中的离散单元的X坐标值增加2d，单元编号记为I?Nd，将B2中的有限单元的X坐标值增加2d，单元编号记为I?Nf实现BI，B2在X方向的顺序排列。此时，沙石路面的大小仍为2*d*(2a+b)*h’，且单元总数与更替之前保持不变，路面区域范围更改为(X:d?3d，Y:-a/2_b?a/2+b，Z:0?h’，)。随后，将离散单元和有限单元接触判断的搜索范围修改为(X: d?3d，Y: -a/2-b?a/2+b，Z: O?h ’)。沿车轮行驶方向重复以上过程，实现车轮沙石路面行驶性能分析时的混合单元路面更替。
[0078]综上所述，本发明提出的一种混合样本路面更替法是基于离散单元集与有限单元集。越野车辆车轮在行驶过程中不断的铺设新的路面和不断的删除旧的路面来不断的更新路面。该混合样本路面模型由离散元部分和有限元部分组成。轮胎接地面处及周围区域的沙石路面采用离散单元集进行描述;将两轮之间、两轮之外未发生路面破坏的模型化区域沙地使用有限元方法计算。并且通过控制越野车辆车轮在行驶过程中的混合样本单元的数目在一定范围内，这样极大的提高了模拟分析的计算效率，使工程上大尺度问题的解决成为可能。本发明对农业工程机械、沙漠车辆探测、星球探测作业工程的模拟分析同样适用。
[0079]本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于离散元与有限元混合路面样本模型的沙石路面更替法，其特征在于，主要包括: 将轮胎接地面区域及近邻区域的沙石路面采用离散单元进行描述:在指定的空间内随机生成给定尺寸大小分布的球形离散单元集合，在自重的情况下使球形离散单元集合压实后处于稳定状态，得到离散元样本路面； 将接近轮胎接地区域且可能发生明显变形但不会发生破坏的沙地路面用有限单元描述:在与离散元样本路面长度一致、且宽度适当的空间区域，生成六面体有限元，得到有限元样本路面； 将有限元样本路面和离散元样本路面生成混合样本路面:在有限元样本路面和离散元样本路面的界面上，采用罚函数法将球形离散单元与六面体有限单元绑定，构成离散元与有限元的混合样本路面，以实现离散单元样本路面和有限单元样本路面之间运动和力学信息的传递； 将所述混合样本路面的单元信息、节点坐标信息保存于计算机内存中； 复制两份混合样本路面按照前后顺序组成车轮行驶的初始路面； 在初始状态下，车轮位于第I块混合样本路面的中间位置，指定车轮的行驶方向由第I块混合样本路面通往第2块混合样本路面，当车轮行驶的距离等于混合路面样本长度时，将第一块路面样本块删除，同时在车轮行驶方向铺设同样的混合样本路面。2.根据权利要求1所述的基于离散元与有限元混合路面样本模型的沙石路面更替法，其特征在于，所述形成离散元样本路面步骤具体包括: 确定适当的样本路面长度、宽度，以及离散元区域的宽度； 在离散元区域内根据给定路面沙粒的粒径分布生成随机排列的球形离散单元； 加载重力加速度压实处于稳定状态后得到离散元样本路面。3.根据权利要求1所述的基于离散元与有限元混合路面样本模型的沙石路面更替法，其特征在于:所述车轮行驶的过程中，混合样本路面规模始终是两块样本路面的长度，车轮在沙地的行驶过程，即为该混合样本路面不断重复更新的过程。4.根据权利要求1所述的基于离散元与有限元混合路面样本模型的沙石路面更替法，其特征在于:混合样本路面不断重复更新的过程具体为: 设定车轮的初始位置为第一块混合样本路面的中间，当车轮按照预定的方向行驶到第二块混合样本路面中间位置的时候，删除第一块混合样本路面，同时在第二块样本路面的前方铺设拷贝的第三块混合样本路面，此时，第二块混合样本路面和第三块混合样本路面组成第一次更新后的混合样本路面。5.根据权利要求1所述的基于离散元与有限元混合路面样本模型的沙石路面更替法，其特征在于:所述删除第一块混合样本路面，同时在第二块样本路面的前方铺设拷贝的第三块混合样本路面的步骤具体包括: 将第一块混合样本路面单元集BO中的离散单元和有限单元信息置零，同时，将混合样本单元集J复制一份，记为B2，并将B2中的离散单元的X坐标值增加2d，单元编号记为I?Nd，将B2中的有限单元的X坐标值增加2d，单元编号记为I?Nf实现B1、B2在X方向的顺序排列，此时，沙石路面的大小仍为2*d*(2a+b)*h’，且单元总数与更替之前保持不变，路面区域范围更改为: X:d?3d，Y:-a/2_b?a/2+b，Z:0?h’ ； 随后，将离散单元和有限单元接触判断的搜索范围修改为: X:d?3d，Y:-a/2_b?a/2+b，Z:0?h’ ； 沿车轮行驶方向重复以上过程，实现车轮沙石路面行驶性能分析时的混合样本路面更替。
【文档编号】G06F17/50GK105868500SQ201610250088
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】臧孟炎, 曾海洋, 郑祖美
【申请人】华南理工大学