详情

原文传递轮壤耦合作用下土壤表面有效不平度的预测与重构

论文题名：	轮壤耦合作用下土壤表面有效不平度的预测与重构
关键词：	汽车通过性;土壤表面;有效不平度;轮壤耦合
摘要：	有效不平度是指车轮与路面相互作用过程中软路面以某一不平度形式对车轮的实时高程位移。有效不平度的获取是研究车辆振动学的前提，研究分析有效不平度产生的机理对车辆平顺性的研究具有重要意义。为了获取有效不平度，本文研制了一台激光不平度测试仪，基于自测的原始不平度，使用数值分析和离散单元法建模仿真两种途径分别推导和计算出车轮与土壤相互作用时土壤的实时有效不平度，并对有效不平度进行了试验验证，最终使用迭代函数法和改进随机中点位移法两种分形插值方法，对验证后的有效不平度进行了插值重构，获得了详实的有效不平度数据。本文主要内容和结论包括: 　　1、从总体设计、硬件设计和软件设计方面进行了不平度激光测试仪的开发。开发的不平度测试仪主要包括电机、电机驱动系统及不平度数据采集系统，对测试仪进行了测试验证，经试验，测试仪达到总体设计要求，测试数据准确，测量的物体形状与标准形状的相关性大于0.994,精度较高。　　2、基于原始不平度、车辙不平度、车轮垂直位移、轮胎刚度和路面的刚度等数据，从静载和动载两个方面对轮胎与土壤的包络作用进行了动力学分析，使用数值方法推导出了静载和动载时土壤表面的有效不平度曲线。经对比分析，静载分析获得的有效不平度数据比原始不平度数据小，曲线更光滑、平缓，说明在轮胎与路面相互作用时，原始不平度的高频部分已被滤除;动载分析获得的有效不平度曲线的基本形状与静载状态下的有效不平度基本重合，高程普遍低于车辙不平度，但形状更为尖锐，符合有效不平度的形成规律。　　3、分析了接触建模的相关理论，包括线性互补问题、静态和动态摩擦力模型、力学模型的集值映射理论、非光滑多体动力学方程的非光滑广义-α方法求解理论;土壤的建模需要获取实际土壤的部分性能参数，利用三轴实验测试土槽土壤内摩擦角、内聚力，进而计算出剪切变形模量;基于建模的理论基础，采用绝对节点坐标（ANCF）和参考节点(ANCF-RN)方法建立车轮模型，采用离散单元方法(DEM)建立土壤表面模型，进而建立模型的动力学方程，采用非光滑广义-α和Verlet方法求解方程，使用matlab软件编写了求解程序，使用钢球算例验证了模型的正确性;引入土壤表面不平度数据，使用求解程序推导出了车轮和各土壤颗粒的运动参数，进而获得有效不平度曲线，并对其与速度、载荷的关系进行了分析，并得出以下结论: 　　(1)使用刚球自由落体算例对模型进行了验证，观察到刚球与地面发生碰撞，会将附近的地面颗粒挤开形成凹陷，并发生回弹与地面颗粒不断发生接触，仿真结果合理。　　(2)轮毂参考节点先做自由落体运动，然后在Y向上下振荡，当弹性跳动减弱后，车轮进行平稳地滚动，从轨迹看，仿真过程合理。　　(3)车轮稳定滚动后，有效不平度数值随着载荷的增大而变小，但不同载荷下的有效不平度差距很小（只有10-6m左右）。　　(4)施加在车轮上的转矩越高，轮速会越高，有效不平度的波动越明显。　　(5)引入不平度曲线后，不平的土壤表面会引起车轮出现相应的跳动，轮毂中心的运动轨迹与不平度曲线趋势一致，这与现实情况更为相符，说明在车轮-土壤耦合仿真分析中引入不平度数据会使仿真结果更为准确。　　4、基于单轮土槽试验平台，设计了车轮-土壤耦合试验的方案，考虑车速、胎压及载荷3个影响因素，共27种状态，对土壤的原始不平度、车辙不平度、有效不平度进行了测试，再通过计算和分析，得到土壤下陷量及有效不平度与3个因素的关系，得出以下结论: 　　(1)随着速度的上升，下陷量下降;随着载荷的增大，土壤下陷量变大;胎压对下陷量影响较小。　　(2)对于低速作业的农业车辆，车轮跳动量与车速的关系不明显，一定范围内载荷的变化对车轮跳动量的影响也不大;对于松软土壤，胎压对车轮跳动量影响较小。　　(3)针对同一原始不平度，同一速度范围和相同的载荷下，测试的有效不平度曲线与通过两种方法获取的有效不平度基本重合，说明有效不平度的荻取方法正确、有效。　　5、开发了基于迭代函数法及改进的随机中点位移法的3D分形插值系统，两者均可精确重构土壤表面，两者插值后统计特征变化基本保持在插值前的±5％以内。前者插值点较多，效率偏低;后者生成的数据点远远少于迭代函数法，重构效率高。使用两种算法程序分别对两种途径获取的有效不平度值进行分形插值重构，获得了更为详实的有效不平度数据。
作者：	刘奕贯
专业：	农业机械化工程
导师：	鲁植雄
授予学位：	博士
授予学位单位：	南京农业大学
学位年度：	2019