趙春來(lái)，臧孟炎
（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 廣州）
摘 要：采用離散元與有限元耦合方法（FEM/DEM）模擬輪胎沙石路面相互作用，提出 “路面更替法”，以控制仿真模型規(guī)模，提高計(jì)算效率。建立剛性有限元輪胎在離散元沙石路面上行駛的三維仿真模型，使用自主開發(fā)軟件CDFP對(duì)剛性車輪砂石路面行駛行為進(jìn)行仿真分析。獲取了輪胎掛鉤牽引力、下陷量、沙石顆粒流動(dòng)趨勢(shì)等行駛行為參數(shù)。通過與相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的可行性。
關(guān)鍵詞：越野車輛；通過性能；沙石路面；FEM/DEM；路面更替
中圖分類號(hào)：U461.5+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
深入研究輪胎-沙粒間的相互作用對(duì)高水平越野車的設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)等具有重要的指導(dǎo)意義。然而，單純使用有限元方法（FEM）雖然能夠很好地描述輪胎特性[1-5]（包括輪胎的復(fù)雜花紋形狀、充氣輪胎的變形等），但在研究越野車輛沙地行駛行為評(píng)價(jià)方面遇到了挑戰(zhàn)：由于沙石路面具有典型的非連續(xù)介質(zhì)特性，用傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)理論（如：FEM）不能合理描述其運(yùn)動(dòng)行為。離散元方法（DEM）在描述散體介質(zhì)的非連續(xù)特性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[6-9]。
為了兼顧FEM和DEM的優(yōu)點(diǎn)，Nakashima[10-12]等采用二維離散元與有限元耦合方法（FEM/DEM）研究輪胎在沙石路面上的行駛行為，并開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算程序。但是，二維方法在研究輪胎行駛行為時(shí)存在很多局限性，例如：無(wú)法描述輪胎花紋、沙石顆粒的側(cè)向流動(dòng)及輪胎側(cè)向力等。本文介紹了一種我們自主開發(fā)的、適用于越野車輪胎行駛行為仿真分析的三維FEM/DEM計(jì)算方法，然后針對(duì)越野車輛沙地行駛過程的特點(diǎn)，提出了“路面更替法”以控制仿真模型規(guī)模，并基于FORTRAN 95語(yǔ)言開發(fā)了相應(yīng)的專用分析軟件。
1 方法介紹
1.1 FEM/DEM算法介紹
本文所述FEM/DEM方法在車輪-沙地相互作用分析的本質(zhì)是使用FEM來(lái)模擬輪胎，用DEM方法來(lái)描述沙粒。離散單元及與沙石接觸輪胎有限單元節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)受牛頓第二定律控制。算法中包含圖1（a）、（b）所示的兩種接觸類型：（1）離散單元間的接觸；（2）離散單元與有限單元間的接觸。這兩種接觸類型分別用來(lái)描述沙石顆粒間的相互作用和輪胎與沙石顆粒間的相互作用。其中前者采用Williams等提出的‘C-grid’方法[13]進(jìn)行接觸判斷，后者采用作者開發(fā)的適用于球形離散單元和六面體有限單元的NTS算法[14]。
（a） 離散單元間相互作用 （b） 離散元與有限元相互作用 （c） 單元間作用力
圖1 單元接觸模型
圖1中，hij為單元間的重疊量，vi、vj、ωi、ωj分別為單元i和j的速度和角速度。Fn和Fs分別為單元間的法向力和切向力，如式（1）、（2）所示，其中切向力Fs滿足庫(kù)倫摩擦定律。
（1）
（2）
式中，Fn,e、Fn,v、Fs,e、Fs,v分別為單元間的法向彈簧力、法向阻尼力、切向彈簧力和切向阻尼力，通過Hertz-Mindlin理論求解[15]。μ為單元間的摩擦系數(shù)。求解有限單元與離散單元間作用力時(shí)，將有限單元視為半徑無(wú)窮大的離散單元[16]。
輪胎與沙石顆粒相互作用的二維示意圖如圖2所示，車輪用有限元描述，沙石路面用離散元描述。輪胎沿
正方向行駛。輪胎的掛鉤牽引力N、輪胎所受的路面豎直方向反作用力P及輪胎滑轉(zhuǎn)率s分別為
（3）
（4）
（5）
其中，G=Σfx+；R=Σfx-；f為輪胎與沙石顆粒間的相互作用力；V為輪胎質(zhì)心水平速度； r為輪胎的滾動(dòng)半徑，對(duì)剛性輪胎，滾動(dòng)半徑等于輪胎自然半徑；
為輪胎的角速度。
圖2 輪胎與路面間的相互作用示意圖
2.2 路面置換法
離散元方法在描述非連續(xù)的沙石路面時(shí)具有優(yōu)勢(shì)，但該法計(jì)算效率較低，而影響計(jì)算效率的主要因素是參與計(jì)算的離散單元的數(shù)量。實(shí)際當(dāng)中，車輪后方一定范圍外，被碾壓過的沙石顆粒對(duì)車輪行駛行為的影響可以忽略，同時(shí)，車輪前方一定距范圍外，沙石顆粒對(duì)車輪行駛行為影響也較小。基于此，我們提出一種“路面更替法”，以控制參與計(jì)算的離散單元數(shù)目，提高計(jì)算效率。下面通過二維示意圖描述該方法的主要步驟：
（1）首先，在給定區(qū)域內(nèi)生成離散單元集，作為初始沙石路面樣本，記為DES A0，長(zhǎng)度為a，如圖3（a）所示；
（2）第二，將上一步中的離散單元集DES A0復(fù)制兩份，分別記為DES A1和DES A2，并按順序排列，組成長(zhǎng)度為2a的初始路面，如圖3（b）所示；
（3）第三，將車輪放置在路面DES A1中間位置，車輪在自重及外載荷作用下自由下沉，直到輪胎所受的路面法向反作用力等于車輪自重及外載荷之和。然后給車輪施加恒定的角速度和相應(yīng)的水平速度，使車輪在某一滑轉(zhuǎn)率下行駛，如圖3（c）所示；
（4）第四，當(dāng)車輪行駛到DES A2的中間位置時(shí)，DES A1對(duì)車輪行駛行為影響可以忽略，且DES A2前端沒有發(fā)生明顯破壞，此時(shí)開始進(jìn)行第一次路面更替：將DES A1刪除，同時(shí)重新備份路面樣本，記為DES A3，放置在DES A2前端，與DES A2組成新的路面，如圖3（d）所示。
反復(fù)執(zhí)行步驟（4），參與計(jì)算的沙石路面長(zhǎng)度始終等于2a，可以實(shí)現(xiàn)較少數(shù)量的離散單元來(lái)模擬任意長(zhǎng)度的沙石路面，大幅提高計(jì)算效率的目的。對(duì)于由多種結(jié)構(gòu)路面構(gòu)成的越野車輛沙地通過性能評(píng)價(jià)，只需對(duì)每種結(jié)構(gòu)路面生成樣本路面，然后根據(jù)車輪即將行駛的路面結(jié)構(gòu)調(diào)入對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)樣本路面即可。
（a） 沙石區(qū)域樣本 （b） 組成初始沙石區(qū)域
（c） 放置輪胎 （d） 路面更替
圖3 路面置換方法的二維示意圖
同種路面結(jié)構(gòu)相應(yīng)的程序流程圖如圖4所示，其中Tter為計(jì)算終止時(shí)間，Δt為顯式算法的時(shí)間步長(zhǎng)，T為當(dāng)前計(jì)算時(shí)間。
圖4 執(zhí)行流程圖
3 數(shù)值算例
為驗(yàn)證方法的有效性，基于室內(nèi)土槽實(shí)驗(yàn)[17]，建立了輪胎在沙石路面行駛的三維仿真模型，分析了不同滑轉(zhuǎn)率下輪胎的行駛行為。
3.1 離散元沙石路面
首先，采用作者之前開發(fā)的分層生成方法[18]，在指定區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)生成給定半徑范圍的球形離散單元集，區(qū)域邊界采用剛性墻約束。然后，讓初始生成的離散單元在自重作用下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，以模擬自然沙地。最終生成的離散元在X: （0,735）、Y: （0,480）、Z: （0,280）范圍，離散單元集孔隙率約為0.32，以此作為沙石路面初始樣本，如圖5所示。本文側(cè)重于對(duì)開發(fā)方法的驗(yàn)證，因此，離散單元半徑范圍取6~7mm，大于實(shí)際沙粒半徑。自重壓實(shí)過程離散單元總勢(shì)能的時(shí)間歷程如圖6所示，在1.1s以后，其趨勢(shì)基本平穩(wěn)，此時(shí)可以認(rèn)為壓實(shí)過程結(jié)束。
圖5 初始沙石路面樣本 圖6 離散元沙石顆粒重力勢(shì)能時(shí)間歷程
楊氏模量：75000 MPa，泊松比：0.3，密度：2400 kg/m3，單元數(shù)目：45551，摩擦系數(shù)：0.3
3.2 初始路面及車輪模型
初始沙石路面區(qū)域由兩段經(jīng)自重壓實(shí)后的“路面樣本”組成，單元總數(shù)為91102個(gè)，長(zhǎng)度等于路面樣本長(zhǎng)度二倍的1470mm。有限元車輪采用如圖7所示的簡(jiǎn)化模型，暫不考慮輪胎變形。輪胎與沙路間的摩擦系數(shù)為0.4，輪胎放置在如圖所示位置。給輪胎施加自重及外載荷（計(jì)1295N）同時(shí)加載恒定的角速度0.5rad/s和相應(yīng)的水平速度，使輪胎在給定滑轉(zhuǎn)率下沿X軸正方向行駛。
（a） 主視圖 （b） 左視圖
圖7 初始路面和有限元輪胎模型
輪胎參數(shù)：楊氏模量：2 MPa，泊松比：0.49，密度：1800 kg/m3，單元數(shù)目：1344
3.3 仿真結(jié)果
當(dāng)車輪行駛距離為k×735 mm（k為路面更替次數(shù)）時(shí)執(zhí)行路面更替。圖8給出輪胎在30%滑轉(zhuǎn)率下，離散單元Z方向的位移云圖：圖8（a）為初始狀態(tài)；圖8（b）為輪胎行駛到第二段樣本路面中間位置時(shí)的車轍；圖（c）為執(zhí)行第一次沙石路面更替后的車轍；圖8（d）給出了第二路面更替前的車轍狀況；圖8（e）執(zhí)行了第二次路面更替；圖8（f）為計(jì)算終止?fàn)顟B(tài)，車輪行駛距離為1560mm。
（a） （b）
（c） （d）
（e） （f）
圖8 車輪滑轉(zhuǎn)率為30%時(shí)沙石顆粒Z方向位移云圖
圖9為輪胎在滑轉(zhuǎn)率為30%時(shí)的輪胎掛鉤牽引力時(shí)間歷程。掛鉤牽引力在初始階段有一個(gè)較大峰值，主要原因是初始階段，輪胎與路面間豎直方向有相對(duì)沖擊速度，產(chǎn)生一個(gè)沖擊力，引起路面法向反作用力出現(xiàn)峰值，與此相應(yīng)，掛鉤牽引力初始階段也出現(xiàn)峰值。隨后掛鉤牽引力快速減小，但仍有較大波動(dòng)，主要原因是離散單元顆粒半徑取值較大，對(duì)接觸力計(jì)算結(jié)果影響所致。
圖9 滑轉(zhuǎn)率為30%時(shí)車輪行駛過程 圖10 滑轉(zhuǎn)率為30%時(shí)車輪行駛過程中的
中的輪胎掛鉤牽引力時(shí)間歷程 輪胎下陷量時(shí)間歷程
圖10為輪胎行駛過程中的下陷量時(shí)間歷程，由圖可知：在初始階段，輪胎下陷量快速增加，主要原因是輪胎豎直方向載荷未達(dá)到平衡狀態(tài)。在行駛200mm之后，下陷量基本上趨于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，均值約為45mm，且在路面更替時(shí)未出現(xiàn)明顯波動(dòng)。
圖11為輪胎在30%滑轉(zhuǎn)率下行駛時(shí)，沙石顆粒的流動(dòng)趨勢(shì)，圖中箭頭表示離散單元在X-Z平面內(nèi)的速度矢量。由圖可知：沙石顆粒的流動(dòng)趨勢(shì)可分為兩個(gè)區(qū)域：前區(qū)，繞順時(shí)針方向；后區(qū)，繞逆時(shí)針方向。該現(xiàn)象與莊繼德[19]等人的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果基本一致。
（a） 仿真結(jié)果 （b） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖11 車輪行駛過程中沙石顆粒的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)
滑轉(zhuǎn)率是影響輪胎行駛行為的主要因素，為研究不同滑轉(zhuǎn)率下輪胎的行駛行為，圖12和圖13分別給出了輪胎下陷量和掛鉤牽引力隨滑轉(zhuǎn)率的變化關(guān)系，其中下陷量和掛鉤牽引力值取各工況穩(wěn)定狀態(tài)下的均值。由圖可知：輪胎的下陷量隨滑轉(zhuǎn)率的增加而逐漸增加，而且其增加趨勢(shì)逐漸“陡峭”，該趨勢(shì)與文獻(xiàn)[17]研究結(jié)果基本一致。
掛鉤牽引力隨滑轉(zhuǎn)率的增加逐漸增加，當(dāng)滑轉(zhuǎn)率小于25%時(shí)，增加趨勢(shì)較陡峭，當(dāng)滑轉(zhuǎn)率大于25%時(shí)，增加趨勢(shì)緩慢，該現(xiàn)象也與文獻(xiàn)[17]實(shí)驗(yàn)結(jié)果整體趨勢(shì)一致。
圖12 輪胎下陷量隨滑轉(zhuǎn)率變化關(guān)系 圖13 掛鉤牽引力隨滑轉(zhuǎn)率變化關(guān)系
4 結(jié) 論
將FEM/DEM方法應(yīng)用于車輪在沙石路面的行駛行為仿真分析，并提出了一種“路面更替法”。路面更替法可以實(shí)現(xiàn)一定數(shù)量的離散單元來(lái)模擬任意長(zhǎng)度的沙石路面，達(dá)到控制模型規(guī)模，提高計(jì)算效率的目的。
輪胎行駛行為，包括路面豎直方向反作用力，掛鉤牽引力，下陷量及輪胎行駛過程中沙石顆粒的流動(dòng)狀況等都可很方便地通過計(jì)算求得，數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了該方法的有效性。
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