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算機內存中；復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；當車輪行駛的距離等于混合路面樣本長度時，將第一塊路面樣本塊刪除，同時在車輪行駛方向鋪設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算效率，對研究越野車在大規(guī)模沙石路面行駛時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
技術領域
[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的路面更替分析方法，具體為一種分析單個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】
[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)表面時的工作狀態(tài)，農業(yè)用機械和工程機械的農業(yè)生產及工程建設作業(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)出來的復雜力學響應(大位移、自身的滑轉等)會對車輪和整車產生很大的影響，如導致車輪空轉以及下陷等，關系到越野車在作業(yè)時的工作效率、作業(yè)的能力、作業(yè)時能量的損耗等。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、農業(yè)機械以及工程機械的設計、性能評估和預測等具有重要的指導意義。
[0003]因此，許多學者采用不同的方法對越野車輛與沙石地面相互作用進行了深入的研究。傳統(tǒng)研究主要包括:
[0004]采用純經驗法，通過對土壤的特性進行觀察和測量，然后進行實驗對比，推測越野車是否能夠在沙石路面通過。采用模型實驗法，一般是通過室內土槽實驗和室外場地實驗研究越野車輛沙石路面的通過性，為車輛的設計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、過程復雜等缺點，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)，實驗研究難以有效實施。隨著計算機技術的快速發(fā)展，仿真技術被廣泛地應用于車輪與路面相互作用的研究領域。有限元方法因其成熟的理論等特點廣泛應用于該領域。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)介質的細觀現(xiàn)象時存在明顯的不足。
[0006]Cundal I等人于1971首次提出適于研究分析非連續(xù)顆粒介質的力學行為的離散元方法。該方法有效彌補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雜胎面結構的充氣輪胎。
[0007]非專利文獻I金大.輕載荷剛性輪胎-月面系統(tǒng)動力學研究[D]:吉林大學，2013
[0008]非專利文獻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，將導致巨量的離散單元規(guī)模而使得仿真分析無法實現(xiàn)。
[0013]非專利文獻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，使用兩端標準路面構成車輪行駛區(qū)間，即初始仿真模型；當車輪滾過一個樣本路面長度后，刪除滾過的樣本路面，且拷貝一個樣本路面置于車輪前進方向，實現(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。為進一步提高計算效率，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，以應用于越野車輛沙石路面行駛性能仿真分析。

【發(fā)明內容】

[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算方法，以實現(xiàn)樣本路面中離散元區(qū)域的最小化，以提尚計算效率。
[0020]具體技術方案如下:
[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行描述:在指定的空間內隨機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?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，構成離散元與有限元的混合樣本路面，以實現(xiàn)離散單元樣本路面和有限單元樣本路面之間運動和力學信息的傳遞；
[0025]將所述混合樣本路面的單元信息、節(jié)點坐標信息保存于計算機內存中；
[0026]復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，當車輪行駛的距離等于混合路面樣本長度時，將第一塊路面樣本塊刪除，同時在車輪行駛方向鋪設同樣的混合樣本路面。
[0028]進一步地，所述形成離散元樣本路面步驟具體包括:
[0029]確定適當?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)域內根據(jù)給定路面沙粒的粒徑分布生成隨機排列的球形離散單元；[0031 ]加載重力加速度壓實處于穩(wěn)定狀態(tài)后得到離散元樣本路面。
[0032]進一步地，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更新的過程。
[0033]進一步地，混合樣本路面不斷重復更新的過程具體為:
[0034]設定車輪的初始位置為第一塊混合樣本路面的中間，當車輪按照預定的方向行駛到第二塊混合樣本路面中間位置的時候，刪除第一塊混合樣本路面，同時在第二塊樣本路面的前方鋪設拷貝的第三塊混合樣本路面，此時，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]進一步地，所述刪除第一塊混合樣本路面，同時在第二塊樣本路面的前方鋪設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，將混合樣本單元集J復制一份，記為B2，并將B2中的離散單元的X坐標值增加2d，單元編號記為I?Nd，將B2中的有限單元的X坐標值增加2d，單元編號記為I?Nf實現(xiàn)B1、B2在X方向的順序排列，此時，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以上過程，實現(xiàn)車輪沙石路面行駛性能分析時的混合樣本路面更替。
[0041]與當前技術比較，本發(fā)明專利有如下優(yōu)勢和技術效果:
[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算使得計算效率很低。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)法進行處理，在計算時間一定的前提下有限單元的尺寸可以更小以提高計算精度，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)明的裝置結構圖。
[0044]圖2本發(fā)明實施流程圖。
[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方向當車輪行駛到混合樣本單元集BI中間位置時，刪除沿X方向O?d之間的混合樣本單元集BO，同時在X方向2d?3d區(qū)域鋪設混合樣本路面集。
[0051]圖6-1表示混合路面單元更替過程，在X-Z方向當車輪行駛到混合樣本單元集BI中間位置時，刪除沿X方向O?d之間的混合樣本單元集BO，同時在X方向2d?3d區(qū)域鋪設混合樣本路面集。
【具體實施方式】
[0052]下面通過具體實施例對本發(fā)明的目的作進一步詳細地描述，實施例不能在此一一贅述，但本發(fā)明的實施方式并不因此限定于以下實施例。
[0053]本發(fā)明的實施裝置結構示意圖如圖1所示，包括中央處理器、輸入設備、輸出設備、內存儲器設備及外部存儲器設備。其中，中央處理器(CPU)用于對讀入、分析、更新等數(shù)據(jù)進行計算和處理，是執(zhí)行本發(fā)明的關鍵部分;輸入設備如鼠標、鍵盤等，用于輸入數(shù)據(jù)和程序計算的初始模型;輸出設備用于顯示計算后的分析結果數(shù)據(jù)和信息，以圖表、字符等形式表現(xiàn)出來。常用的輸出設備例如顯示器、打印機等；內存儲器設備(RAM/R0M)主要是用于暫時存儲中央處理器(CPU)的分析結果，便于調用；外存儲器設備主要是將輸出結果保存便于后處理中進行數(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行描述:在指定的空間內隨機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?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，構成離散元與有限元的混合樣本路面，以實現(xiàn)離散單元樣本路面和有限單元樣本路面之間運動和力學信息的傳遞；
[0058]將所述混合樣本路面的單元信息、節(jié)點坐標信息保存于計算機內存中；
[0059]復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，當車輪行駛的距離等于混合路面樣本長度時，將第一塊路面樣本塊刪除，同時在車輪行駛方向鋪設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?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)域內根據(jù)給定路面沙粒的粒徑分布生成隨機排列的球形離散單元；
[0064]加載重力加速度壓實處于穩(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更新的過程。
[0066]具體而言，混合樣本路面不斷重復更新的過程具體為:
[0067]設定車輪的初始位置為第一塊混合樣本路面的中間，當車輪按照預定的方向行駛到第二塊混合樣本路面中間位置的時候，刪除第一塊混合樣本路面，同時在第二塊樣本路面的前方鋪設拷貝的第三塊混合樣本路面，此時，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，同時在第二塊樣本路面的前方鋪設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，將混合樣本單元集J復制一份，記為B2，并將B2中的離散單元的X坐標值增加2d，單元編號記為I?Nd，將B2中的有限單元的X坐標值增加2d，單元編號記為I?Nf實現(xiàn)B1、B2在X方向的順序排列，此時，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以上過程，實現(xiàn)車輪沙石路面行駛性能分析時的混合樣本路面更替。
[0074]本發(fā)明的實施流程圖如圖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及備份;調用備份混合樣本單元集并復制兩份，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;滿足更替條件時執(zhí)行混合樣本元路面更替(圖2-2);輸出并存儲結果。
[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(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方向為豎直方向，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)域為: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方向為豎直方向，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到穩(wěn)定狀態(tài)。待單元信息達到穩(wěn)定狀態(tài)后對的離散單元的編號、坐標、半徑、速度和加速度信息進行存儲，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方向為豎直方向。自重壓實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復制兩份，分別記為BO和BI。然后，沿X方向將混合樣本路面集BO，BI，按前后順序排列，組成初始路面，如圖4所示。具體實現(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，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:當車輪行駛至離散單元集BI所在區(qū)域的中點位置時，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，同時在BI的前端添加一個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，將混合樣本單元集J復制一份，記為B2，并將B2中的離散單元的X坐標值增加2d，單元編號記為I?Nd，將B2中的有限單元的X坐標值增加2d，單元編號記為I?Nf實現(xiàn)BI，B2在X方向的順序排列。此時，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以上過程，實現(xiàn)車輪沙石路面行駛性能分析時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，這樣極大的提高了模擬分析的計算效率，使工程上大尺度問題的解決成為可能。本發(fā)明對農業(yè)工程機械、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)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎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施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明權利要求的保護范圍之內。
【主權項】
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行描述:在指定的空間內隨機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?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，構成離散元與有限元的混合樣本路面，以實現(xiàn)離散單元樣本路面和有限單元樣本路面之間運動和力學信息的傳遞； 將所述混合樣本路面的單元信息、節(jié)點坐標信息保存于計算機內存中； 復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，當車輪行駛的距離等于混合路面樣本長度時，將第一塊路面樣本塊刪除，同時在車輪行駛方向鋪設同樣的混合樣本路面。2.根據(jù)權利要求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?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)域內根據(jù)給定路面沙粒的粒徑分布生成隨機排列的球形離散單元； 加載重力加速度壓實處于穩(wěn)定狀態(tài)后得到離散元樣本路面。3.根據(jù)權利要求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更新的過程。4.根據(jù)權利要求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更新的過程具體為: 設定車輪的初始位置為第一塊混合樣本路面的中間，當車輪按照預定的方向行駛到第二塊混合樣本路面中間位置的時候，刪除第一塊混合樣本路面，同時在第二塊樣本路面的前方鋪設拷貝的第三塊混合樣本路面，此時，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，同時在第二塊樣本路面的前方鋪設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，將混合樣本單元集J復制一份，記為B2，并將B2中的離散單元的X坐標值增加2d，單元編號記為I?Nd，將B2中的有限單元的X坐標值增加2d，單元編號記為I?Nf實現(xiàn)B1、B2在X方向的順序排列，此時，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以上過程，實現(xiàn)車輪沙石路面行駛性能分析時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