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基于离散元三维车轮仿真软件的研制

李海兵  
【摘要】:本课题是以离散元法为基础,研究三维地面与三维车轮之间的相互作用。从车辆地面力学应用出发进行拓展,与此同时运用计算机数值模拟仿真的研究成果和理论,使用软件模拟仿真的方法,来真实模拟三维环境下车轮在地面模型上的受力运动过程,进而开发出三维车轮地面仿真软件,实现车轮在地面模型上不同工况时的运动。 离散元法(DEM),一般用来计算离散颗粒在给定条件下的运动情况。本文用的是基于土壤颗粒的离散元法,及时步迭代法来求解。它的编码思想十分简单:在计算求解时以牛顿第二定律为基础,进行接触判断后,根据离散单元之间的叠合量,作用力、加速度、速度和位移公式计算离散单元之间的接触作用力,最后求得每个离散单元合力矩和合力。计算求解过程中,一般以时步为单位进行迭代计算,直到系统中所有颗粒都计算完毕。本课题主要研究车轮(包括刚性车轮与弹性车轮)在地面模型(由离散的土壤颗粒 组成,用来模拟地面的一种平坦路面)上滚动的模拟仿真过程。在确定地面模型和三维车轮的力学参数和物理参数后,本文建立了三维刚性车轮模型、三维弹性车轮模型和地面模型,并且实现了不同离散单元接触碰撞时所对应的接触力学模型。本文运用离散元思想,主要对车轮与地面模型之间的互相作用进行研究。本文的主要内容概括如下: 1.现阶段国内已有二维的车轮地面仿真软件模型,本文主要是建立三维的车轮地面仿真软件模型。本文运用离散元思想为三维车辆地面力学系统建模,这个过程主要包括刚性车轮的建模、弹性车轮建模、地面模型的建模。 2.三维车轮仿真软件中的计算过程是本文核心内容。它涉及到刚性车轮的匀速运动过程计算方法和弹性车轮的离散元计算方法(包括主动轮和被动轮的计算),这两部分主要包含边界和颗粒的接触叠合量、邻居搜索、接触力的计算、接触判断以及边界和颗粒的运动求解等。此外还详述了车轮在松软地面的匀速运动的离散元计算过程,车轮启动和制动的离散元计算过程以及主动轮和被动轮的离散元计算过程等内容。 3.本文对三维车轮仿真软件的需求、总体设计、详细设计以及前端界面的设计都做出了详细阐述,并绘制了流程图等图表。此外,为了提高三维车轮仿真软件的性能,本文还对此软件的文件系统进行改进。 4.编写代码并进行相应的实例测试。简单介绍了三维车轮仿真软件的开发环境及配置,并进行了仿真测试。其中仿真测试主要包括三维地面模型的实现与验证,刚性车轮与地面模型的仿真测试,弹性车轮与地面模型的仿真测试。


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