一種分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法，其包括：在給定空間范圍內(nèi)生成離散單元集，并使其在自重作用下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后將該離散單元集備份，該離散單元集即為路面樣本塊；將備份好的路面樣本塊復(fù)制兩份，按照前后順序組成初始路面，初始路面長(zhǎng)度等于路面樣本塊的2倍；令車(chē)輪初始位置在第一個(gè)路面樣本塊的中間，且由第一個(gè)路面樣本塊向第二個(gè)路面樣本塊行駛，當(dāng)車(chē)輪行駛距離等于路面樣本塊長(zhǎng)度時(shí)，將第一個(gè)路面樣本塊刪除，同時(shí)再在車(chē)輪行駛方向的前面鋪設(shè)同樣的路面樣本塊。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輪行駛性能分析中沙石路面的離散元模擬，且將模型規(guī)模始終控制在個(gè)離散單元內(nèi)，從而使離散元分析具有工程應(yīng)用價(jià)值。
【專利說(shuō)明】一種分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大規(guī)模沙石路面的離散元分析法，具體為一種分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法。
【背景技術(shù)】
[0002]開(kāi)發(fā)沙漠中的豐富資源，探索月球、火星等未知領(lǐng)域，復(fù)雜地形下的軍事作戰(zhàn)，日益緊迫的風(fēng)沙治理及效率低下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等都涉及到車(chē)輪與松散路面間的相互作用。沙石路面是典型的松散路面，沙石顆粒的非連續(xù)特性及其自身的轉(zhuǎn)動(dòng)、大位移運(yùn)動(dòng)等都會(huì)導(dǎo)致路面破壞，從而對(duì)車(chē)輪的行駛性能產(chǎn)生很大影響。因此，深入地研究車(chē)輪與沙石類(lèi)松軟路面間的相互作用原理，對(duì)加速提高我國(guó)越野車(chē)輛開(kāi)發(fā)水平，促進(jìn)民用工業(yè)、國(guó)防事業(yè)、農(nóng)業(yè)機(jī)械化等的發(fā)展具有重要意義。
[0003]在該領(lǐng)域的研究方法中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法存在周期長(zhǎng)、成本高、過(guò)程復(fù)雜等缺點(diǎn)，而且在觀察沙石顆粒的流動(dòng)趨勢(shì)等方面存在一定的局限性，不能有效地分析沙石顆粒間的細(xì)觀參數(shù)對(duì)車(chē)輪行駛行的影響。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真方法被越來(lái)越多的應(yīng)用于該領(lǐng)域的研究。有限元方法作為一種傳統(tǒng)的仿真方法，被廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域的研究，例如米用粘彈性材料(T.Hiroma, S.ffanjii, T.Kataoka, etal.(1998) Stressanalysis using FEM on stress distribution under a wheel considering frictionwith adhesion between a wheel and soil.Journal of Terramechanics, 34(4):225-233)或彈塑性材料(J.P.Hambleton, A.Drescher.(2009)Modeling wheel-1nducedrutting in soils:rolling.Journal of Terramechanics, 46(2):35-47 和 KM.Xia, YMYang.(2012) Three-dimensional finite element modeling of tire/groundinteraction.1nternational Journal for Numerical and Analytical Methods inGeomechanics, 36(4):498-516等)模擬松軟沙石路面,分析車(chē)輪行駛過(guò)程的下陷和路面的變形。但是有限元方法不能準(zhǔn)確地描述沙石路面的非連續(xù)介質(zhì)特性和沙石顆粒流動(dòng)性，同時(shí)也不能合理模擬復(fù)雜的輪胎花紋與沙石顆粒間的相互作用。
[0004]Cundall等人于1971提出的離散元方法適用于研究顆粒介質(zhì)的力學(xué)行為(PA.Cundall.(1971)A computer model for simulating progressive large movements inblocky systems.S-ymposium ISRM, Proc, 2:129-136)。該方法能夠真實(shí)地再現(xiàn)車(chē)輪行駛過(guò)程中，沙石路面的破壞及顆粒飛濺、流動(dòng)等現(xiàn)象，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)有限元方法的不足，準(zhǔn)確地描述沙石路面的非連續(xù)介質(zhì)特性，是地面力學(xué)分析中最有前景的分析工具。但是，其在獲得散體單元間的作用力時(shí)，效率隨著單元數(shù)量規(guī)模的增大急劇降低。
[0005] 然而在實(shí)際工程問(wèn)題中，測(cè)試車(chē)輪沙石路面行駛性能時(shí)，通常需要行駛較長(zhǎng)距離，如果對(duì)該長(zhǎng)度范圍內(nèi)的沙石顆粒采用離散單元逐一建模，則分析時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，仿真分析也失去實(shí)際工程意義。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明提出一種分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法，通過(guò)控制分析過(guò)程中離散單元的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模沙石路面的離散元模擬，具體技術(shù)方案如下。
[0007]—種分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法，其包括:
[0008]采用離散單元對(duì)沙石路面進(jìn)行描述:在給定空間范圍內(nèi)生成離散單元集并使這些離散單元在自重作用下壓實(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后將該離散單元集中的離散單元編號(hào)、坐標(biāo)、半徑、速度和加速度信息存儲(chǔ)、備份，該壓實(shí)后的離散單元集即為路面樣本塊；
[0009]由兩份所述路面樣本塊排列組成初始路面:將備份好的路面樣本塊復(fù)制兩份，按照前后順序組成初始路面，初始路面長(zhǎng)度等于路面樣本塊的2倍；
[0010]令車(chē)輪初始位置在第一個(gè)路面樣本塊的中間，且車(chē)輪由第一個(gè)路面樣本塊向第二個(gè)路面樣本塊行駛，當(dāng)車(chē)輪行駛距離等于路面樣本塊長(zhǎng)度時(shí)，將第一個(gè)路面樣本塊刪除，同時(shí)再在車(chē)輪行駛方向的前面鋪設(shè)同樣的路面樣本塊。
[0011]上述分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法中，路面樣本塊及初始路面的生成方法為:首先在給定區(qū)域內(nèi)生成離散單元集，該離散單元集中的離散單元坐標(biāo)在該區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布，離散單元半徑在給定半徑范圍內(nèi)隨機(jī)取值；其次，在該區(qū)域周?chē)暗撞刻砑觿傂詨s束，并添加重力場(chǎng)使離散單元在自重下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，存儲(chǔ)離散單元的編號(hào)、坐標(biāo)、半徑、速度和加速度信息，將達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的離散單元集備份、存儲(chǔ)為B ;然后，將離散單元集B復(fù)制兩份，分別記為Atl與A1,并將離散單元集Atl與A1按前后順序排列，即組成初始路面。
[0012]上述分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法中，初始路面的區(qū)域范圍和單元數(shù)目等于離散單元集B的區(qū)域范圍及單元數(shù)目的2倍。
[0013]上述分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法中，初始路面組成后，在初始路面區(qū)域的兩側(cè)和底面添加無(wú)限長(zhǎng)的剛性墻約束，以約束車(chē)輪行駛過(guò)程中離散單元在這些方向的運(yùn)動(dòng)。
[0014]上述分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法中，當(dāng)車(chē)輪行駛距離等于路面樣本長(zhǎng)度，即車(chē)輪到達(dá)離散單元集A1所在區(qū)域范圍的中間位置時(shí)，將離散單元集Atl刪除，同時(shí)，再次將離散單元集B復(fù)制一份，記為A2,并將離散單元集A2添加在A1前端，則A1和A2組成第一次更替后的路面，在車(chē)輪行駛方向不斷重復(fù)此過(guò)程，實(shí)現(xiàn)離散元路面的更替。
[0015]上述分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法中，路面更替完成后，沙石路面始終有兩份路面樣本塊組成，且其區(qū)域范圍和單元數(shù)目仍等于離散單元集B的區(qū)域范圍和單元數(shù)目的2倍。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果:本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輪行駛性能分析中沙石路面的離散元模擬，且將模型規(guī)模始終控制在2N個(gè)離散單元內(nèi)，從而使離散元分析具有工程應(yīng)用價(jià)值。該發(fā)明的成功實(shí)施對(duì)研究越野車(chē)輛沙石路面行駛性能具有重要意義。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1表示執(zhí)行本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖2a表示本發(fā)明的執(zhí)行流程圖。
[0019]圖2b表示流程圖中的組成初始路面過(guò)程C的詳細(xì)流程圖。[0020]圖2c表示流程圖中的離散元路面更替過(guò)程G的詳細(xì)流程圖。
[0021]圖3表示初始離散單元集自重壓實(shí)后的狀態(tài)及其所在的區(qū)域范圍。
[0022]圖4表示由離散單元集Aci和A1組成的初始路面。
[0023]圖5將車(chē)輪置于離散單元集Atl所在區(qū)域的中間位置。
[0024]圖6表示車(chē)輪行駛至離散單元集A1所在區(qū)域中點(diǎn)時(shí)Atl中的離散單元對(duì)車(chē)輪行駛行為的影響可以忽略且離散單元集A1的前端沒(méi)有發(fā)生破壞，可以執(zhí)行路面更替。
[0025]圖7表示離散元路面的更替過(guò)程，即刪除O?375_范圍內(nèi)的離散單元集Atl,同時(shí)在750?1125mm區(qū)域添加離散單元集A2。
【具體實(shí)施方式】
[0026]以下結(jié)合相關(guān)二維示意圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明實(shí)施不限于此。
[0027]執(zhí)行本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、內(nèi)存設(shè)備、外部存儲(chǔ)設(shè)備及中央處理器。其中，輸入設(shè)備如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等，用于輸入初始模型；輸出設(shè)備用于顯示分析結(jié)果，例如顯示器、打印機(jī)等；內(nèi)存設(shè)備(RAM/R0M)主要是用于暫時(shí)存儲(chǔ)分析結(jié)果便于以后分析時(shí)的調(diào)用；外存儲(chǔ)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；中央處理器(CPU)集中處理數(shù)據(jù)讀入、分析、更新等，執(zhí)行本發(fā)明。
[0028]本發(fā)明的執(zhí)行流程圖如圖2a所示，主要包含以下步驟:初始離散單元模型信息的讀入；離散單元的自重壓實(shí)及備份；調(diào)用備份離散單元集并復(fù)制兩份，按順序排列組成初始路面(圖2b);將車(chē)輪放置于初始路面上；給車(chē)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)行離散元路面更替(圖2c);輸出并存儲(chǔ)結(jié)果。
[0029]首先建立離散單元集的初始模型:在給定空間區(qū)域內(nèi)(空間范圍為:X方向O?a，Y方向O?b, Z方向O?c,其中Z方向?yàn)樨Q直方向，a, b, c的大小根據(jù)車(chē)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N，單元編號(hào)為I?N。隨后，在該區(qū)域四周邊界及底部邊界添加剛性墻約束。接著，添加重力場(chǎng)，使這些離散單元在自身重力作用下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。存儲(chǔ)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的離散單元的編號(hào)、坐標(biāo)、半徑、速度和加速度信息，將此刻的離散單元集記為B，也即路面樣本塊，其空間區(qū)域范圍變?yōu)镺?a, Y:0?b,Z:0?c’，其中C，< C。自重壓實(shí)過(guò)程中離散單元間的接觸判斷采用C_grid方法(R.John, EP Williams, B.Cook.(2004) A contact algorithm for partitioning Narbitrary sized objects.Engineering computations, 21 (2/3/4):235_348)，離散單兀接觸判斷搜索范圍為X:0?a，Y:0?b，Z:0?c，即自重壓實(shí)之前離散單元集所處的區(qū)域。
[0030]其次，組成初始路面:將離散單元集B復(fù)制兩份，分別記為Atl和4。然后，沿X方向?qū)㈦x散單元集Ap A1按前后順序排列，組成初始路面，具體實(shí)現(xiàn)方法為:離散單元集Atl保持不變，將離散單元集A1中的所有離散單元的X坐標(biāo)值都增加a、離散單元的編號(hào)修改為N+1?2N。最終生成的初始路面的大小為2aXbXc’，區(qū)域范圍為X:0?2a，Y:0?b，Z:O?c’，離散單元數(shù)目為2N，離散單元的編號(hào)為I?2N。
[0031]然后，將車(chē)輪置于離散單元集Atl所在區(qū)域的中間位置，給車(chē)輪加載角速度ω，使車(chē)輪沿X正方向(Atl指向A1方向)行駛。同時(shí)，修改離散單元接觸判斷的搜索范圍(改為X:O?2a，Y:0?b，Z:0?c’)，此時(shí)模型中離散單元數(shù)目為2N。[0032]離散元路面更替:當(dāng)車(chē)輪行駛至離散單元集A1所在區(qū)域的中點(diǎn)位置時(shí)，將對(duì)車(chē)輪行駛性能沒(méi)有影響的離散單元集Atl (其包含的離散單元的單元編號(hào)為I?N)刪除，同時(shí)，在A1的前端添加一個(gè)新的離散單元集A2,由離散單元集A1和A2組成新的沙石路面，完成第一次路面更替。實(shí)現(xiàn)方法為:將離散單元集Atl中的離散單元信息置零(即刪除單元)，同時(shí)，將離散單元集B復(fù)制一份，記為A2,并將A2中的離散單元的X坐標(biāo)值增加2a，單元編號(hào)記為I?N，實(shí)現(xiàn)A” A2在X方向的順序排列。此時(shí)，沙石路面的大小仍為2aXbXc’，且單元總數(shù)仍為2N，路面區(qū)域范圍更改為(X:a?3a，Y:0?b，Z:0?c’)。隨后，將離散單元接觸判斷的搜索范圍修改為(X:a?3a，Y:0?b，Z:0?c’)。沿車(chē)輪行駛方向重復(fù)以上過(guò)程，實(shí)現(xiàn)車(chē)輪沙石路面行駛性能分析時(shí)的離散元路面更替。
[0033]以下再結(jié)合具體的二維實(shí)例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施步驟作說(shuō)明:
[0034]1、首先在區(qū)域范圍X:0?375mm，Y:0?60mm內(nèi)，隨機(jī)生成半徑范圍為I?2mm的離散單元集，單元數(shù)目為1350個(gè)，存儲(chǔ)于外部存儲(chǔ)裝置中。
[0035]2、將上述離散單元集作為初始輸入，通過(guò)輸入設(shè)備讀取后，在離散單元集所在區(qū)域的四周及底部加剛性墻約束，同時(shí)添加重力場(chǎng)，使離散單元在自重作用下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，將此刻的離散單元的坐標(biāo)、編號(hào)、半徑、速度和加速度信息存儲(chǔ)于內(nèi)部存儲(chǔ)設(shè)備中并備份，將穩(wěn)定后的離散單元集記為B，如圖3所示。離散單元的編號(hào)為I?1350，接觸判斷搜索范圍為X:0?375臟，Y:0?55mm。
[0036]3、讀取步驟2中備份的離散單元集B，并復(fù)制兩份，其中，第一份保持不變，記為A0 ;將第二份離散單元集內(nèi)的離散單元X坐標(biāo)都增加375_，并將其離散單元的編號(hào)修改為1351?2700，并記為Ap此時(shí)，Atl與A1沿X方向按照前后順序組成初始路面，結(jié)果如圖4所示。其中離散單元集Aci的區(qū)域范圍為X:0?375mm, Y:0?55mm,所包含的離散單元的單元編號(hào)為I?1350 ;離散單元集A1的區(qū)域范圍為X:375?750mm，Y:0?55mm，所包含的離散單元的單元編號(hào)修改為1351?2700。則初始路面的區(qū)域范圍為X:0?750mm，Y:0?55_，包含的離散單元總數(shù)為2700，單元編號(hào)為I?2700，將這些單元信息存儲(chǔ)于內(nèi)部存儲(chǔ)設(shè)備中。
[0037]4、將直徑為120mm的車(chē)輪放置于離散單元集Atl所在區(qū)域的中點(diǎn)位置，車(chē)輪的初始位置如圖5所示，車(chē)輪質(zhì)心坐標(biāo)O為(187.5，115)。給車(chē)輪加載角速度ω =0.5rad/s，車(chē)輪開(kāi)始沿X軸正方向行駛。在此過(guò)程中，離散單元接觸判斷搜索范圍為X:0?750mm，Y:0?5 5mm ο
[0038]5、當(dāng)車(chē)輪沿X方向行駛375_，車(chē)輪質(zhì)心O到達(dá)離散單元集A1所在區(qū)域的中間位置，如圖6所示(圖中O’為初始時(shí)刻車(chē)輪質(zhì)心位置)。此時(shí)，離散單元集Atl中的離散單元對(duì)車(chē)輪行駛性的能影響可以忽略。同時(shí)，離散單元集A1中的單元，其左端(圖6中X坐標(biāo)為750_處)沒(méi)有發(fā)生明顯的大變形破壞。此時(shí)，進(jìn)行離散元路面更替:刪除離散單元集Atl中的離散單元，同時(shí)，將離散單元集B復(fù)制一份，并將其中的離散單元X坐標(biāo)增加750_，單元編號(hào)記為I?1350，然后將該離散單元集記為A2。此時(shí)離散單元集A1與A2組成新的沙石路面，完成第一次路面更替，結(jié)果如圖7所示。其中，新的沙石路面所在的區(qū)域范圍變?yōu)閄:375?1125mm，Y:0?55mm，單元總數(shù)仍為2700。
[0039]沿車(chē)輪行駛方向重復(fù)以上步驟，不斷更新接觸判斷搜索區(qū)域，在區(qū)域范圍X:k*375?(k+2)*375，Y:0?55mm內(nèi)，對(duì)2700個(gè)離散單元進(jìn)行求解(k為更替次數(shù))，并將分析結(jié)果輸出、存儲(chǔ)于外部存儲(chǔ)裝置中。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輪在沙石路面行駛性能的仿真分析。每次更替時(shí)，新添加的離散單元集中的離散單元的編號(hào)及單元坐標(biāo)更新方式為:當(dāng)k為奇數(shù)時(shí)，離散單元編號(hào)取I~1350，任意單元i的坐標(biāo)(夂1A4 I的更新方法為:
【權(quán)利要求】
1.一種分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法，其特征在于包括: 采用離散單元對(duì)沙石路面進(jìn)行描述:在給定空間范圍內(nèi)生成離散單元集并使這些離散單元在自重作用下壓實(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后將該離散單元集中的離散單元編號(hào)、坐標(biāo)、半徑、速度和加速度信息存儲(chǔ)、備份，該壓實(shí)后的離散單元集即為路面樣本塊； 由兩份所述路面樣本塊排列組成初始路面:將備份好的路面樣本塊復(fù)制兩份，按照前后順序組成初始路面，初始路面長(zhǎng)度等于路面樣本塊的2倍； 令車(chē)輪初始位置在第一個(gè)路面樣本塊的中間，且車(chē)輪由第一個(gè)路面樣本塊向第二個(gè)路面樣本塊行駛，當(dāng)車(chē)輪行駛距離等于路面樣本塊長(zhǎng)度時(shí)，將第一個(gè)路面樣本塊刪除，同時(shí)再在車(chē)輪行駛方向的前面鋪設(shè)同樣的路面樣本塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法，其特征在于，路面樣本塊及初始路面的生成方法為:首先在給定區(qū)域內(nèi)生成離散單元集，該離散單元集中的離散單元坐標(biāo)在該區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布，離散單元半徑在給定半徑范圍內(nèi)隨機(jī)取值；其次，在該區(qū)域周?chē)暗撞刻砑觿傂詨s束，并添加重力場(chǎng)使離散單元在自重下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，存儲(chǔ)離散單元的編號(hào)、坐標(biāo)、半徑、速度和加速度信息，將達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的離散單元集備份、存儲(chǔ)為B ;然后，將離散單元集B復(fù)制兩份，分別記為Atl與A1,并將離散單元集Atl與A1按前后順序排列，即組成初始路面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法，其特征在于初始路面的區(qū)域范圍和單元數(shù)目等于離散單元集B的區(qū)域范圍及單元數(shù)目的2倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法，其特征在于初始路面組成后，在初始路面區(qū)域的兩側(cè)和底面添加無(wú)限長(zhǎng)的剛性墻約束，以約束車(chē)輪行駛過(guò)程中離散單元在這些方向的運(yùn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法，其特征在于當(dāng)車(chē)輪行駛距離等于路面樣本長(zhǎng)度，即車(chē)輪到達(dá)離散單元集A1所在區(qū)域范圍的中間位置時(shí)，將離散單元集Atl刪除，同時(shí)，再次將離散單元集B復(fù)制一份，記為A2,并將離散單元集A2添加在A1前端，則A1和A2組成第一次更替后的路面，在車(chē)輪行駛方向不斷重復(fù)此過(guò)程，實(shí)現(xiàn)離散元路面的更替。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種分析車(chē)輪沙石路面行駛性能的離散元路面更替法，其特征在于路面更替完成后，沙石路面始終由兩份路面樣本塊組成，且其區(qū)域范圍和單元數(shù)目仍等于離散單元集B的區(qū)域范圍和單元數(shù)目的2倍。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103955560SQ201410134643
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月3日
【發(fā)明者】臧孟炎, 趙春來(lái) 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)