一种车轮沙石路面仿真中接触对的搜索方法、设备及介质技术

本发明专利技术公开了一种车轮沙石路面仿真中接触对的搜索方法、设备及介质，所述方法包括步骤：S1、通过离散元及有限元方法分别得到沙石路面模型和车轮模型并进行接触耦合；S2、控制车轮模型在沙石路面模型上以一定速度开始行驶；S3、确定动态接触区域内离散元编号；S4、确定动态接触区域内有限元接触面编号；S5、确定动态接触区域内离散元及有限元接触对；S6、按照预设的时间步长重复执行步骤S3~步骤S5执行动态接触区域信息更新；S7、更新结束则输出参与接触的离散元与有限元接触对的信息。本发明专利技术采用动态接触区域内的接触判断法，快速排除模型中不参与接触的离散单元及有限元接触面，极大缩短接触对搜索时间。

A Search Method, Equipment and Media for Contact Pairs in Wheel Sandstone Pavement Simulation

【技术实现步骤摘要】
一种车轮沙石路面仿真中接触对的搜索方法、设备及介质
本专利技术涉及一种离散元与有限元接触对搜索方法，具体涉及一种车轮沙石路面仿真中接触对的搜索方法、设备及介质。
技术介绍
现代汽车所需要完成的任务非常广泛，除了完成硬路面上的运载任务，汽车还要参与矿产资源开发、军事行动和越野活动等沙石路面条件下的作业任务。尤其对于越野车辆(包括军用越野车辆、行星探测车、农业机械及工程机械等)通常在沙石类的松软路面上作业，车轮与沙粒间的相互接触作用带来的沙石流动、车轮空转与沉陷等是影响汽车沙地行驶行为的主要因素，关系到车辆的作业能力、作业效率与能源消耗。车轮在沙石路面上的作用会严重影响车辆的通过性、制动性与操纵性能。例如，车轮破坏沙石路面后发生陷入，影响车辆的通过性，同时路面被破坏后变形不确定，引起车轮的受力不确定，转向困难，影响车辆的操纵稳定性。因此，深入研究轮胎与沙石路面间的相互作用，对汽车的设计、性能评估及预测等具有重要的指导意义。目前，国内外学者针对车轮在沙石路面上的行驶性能做了大量的理论研究与实验研究。但是，这些方法均存在一定的局限性，即不能经济且有效地再现越野车辆的地面行驶行为。实验方法虽然可以再现车辆在沙石类松软地面的行驶行为，但是成本高、可重复性差，不能深入分析车轮与沙粒间的细观作用，且对一些特殊环境(如月球车性能分析中的微重力环境)难以进行实验研究。近年来，随着计算机技术的飞速发展，以有限元方法为代表的数值仿真分析方法在现代汽车设计、开发过程中得到了广泛的应用，几乎涉及汽车各方面性能的评价，在减少试验次数、缩短开发周期和降低开发成本方面发挥着重要的作用。但是，由于沙石路面具有典型的非连续介质特性，纯粹使用基于连续介质理论的有限元方法不能合理描述其运动行为，而采用离散元方法可以较好地描述散体颗粒路面(如沙石等)的不连续特性。但是，单纯地使用离散元方法，不能很好地描述轮胎的复杂结构、轮胎变形与复杂花纹与沙石间的相互作用等。考虑兼顾离散元与有限元方法的优点，运用离散元与有限元耦合的方法，即车轮部分采用有限元描述，沙石路面采用离散元描述，对于分析沙石路面上越野车辆的行驶性能具有长远意义，因此有必要做进一步深入研究。然而在实际仿真分析中，由于离散元规模的庞大，离散元与有限元之间的接触力计算，需要先进行接触对搜索，而该部分计算需要消耗大量时间。在车轮沙石路面仿真中，对于离散元与有限元接触对的搜索方法，现有方法中需要将模型中所有离散元及所有有限元接触面进行接触对判断，该方法不仅计算费时，同时也消耗了大量计算内存。因此，如何提高离散元与有限元之间接触对判断是提高仿真计算效率的关键，并有助于加速提高我国车辆开发水平，为高性能越野车辆开发提供重要的技术支撑。
技术实现思路
为提高车轮沙石路面行驶仿真分析的计算效率，本专利技术提出了一种车轮沙石路面仿真中接触对的搜索方法、设备及介质。本专利技术的目的是提高沙石离散元与有限元接触面的接触对判断效率。车轮在沙石路面行驶过程中的离散元与有限元接触对判断的接触区域不再是整个模型的接触区域尺寸，而是转化为只在车轮贴地侧的动态接触区域内进行。本专利技术方法在进行车轮沙石路面行驶仿真中既可获得精确的计算结果，又缩短了计算时间，同时也节约了计算机内存消耗，可快速获得车轮沙石路面行驶仿真的相关分析结果。本专利技术具体通过如下技术方案实现：一种车轮沙石路面仿真中接触对的搜索方法，包括步骤：S1、通过离散元及有限元方法分别得到沙石路面模型和车轮模型并进行接触耦合；S2、控制车轮模型在沙石路面模型上以一定速度开始行驶；S3、确定动态接触区域内离散元编号；S4、确定动态接触区域内有限元接触面编号；S5、确定动态接触区域内离散元及有限元接触对；S6、按照预设的时间步长重复执行步骤S3～步骤S5执行动态接触区域信息更新；S7、更新结束则输出参与接触的离散元与有限元接触对的信息。进一步地，步骤S1中，通过离散元及有限元方法分别得到沙石路面模型和车轮模型并进行接触耦合具体是：采用球形离散元描述一定空间尺寸内的沙石路面模型并记录所有离散元单元信息；该沙石路面模型中球形离散元半径按给定范围随机变化，球形离散元单元在自重力作用下压实达到稳定状态，从而形成自然状态下的稳定的颗粒状沙石路面，其中沙石路面底部及四周由固定的刚性墙约束；采用实体有限元描述所述车轮模型并记录车轮模型中有限元信息；定义所述车轮模型的表面被为接触面，当离散元与接触面发生接触时会产生相应接触对，进而产生车轮与沙石相互作用力。进一步地，所述的离散元单元信息包括材料编号、单元编号、单元力学信息、单元质量及单元半径。进一步地，所述有限元信息包括材料编号、部件编号、节点编号、节点坐标及节点约束条件、速度、加速度及位移。进一步地，步骤S2中，所述动态接触区域为车轮模型贴近沙石路面模型的一侧，所述动态接触区域以车轮质心为基点建立，并包围车轮表面，所述动态接触区域的半径由车轮模型半径与该沙石路面模型中离散元最大半径确定，仿真过程中所述动态接触区域的空间尺寸大小不变，仅随着车轮模型的质心移动而移动。进一步地，所述动态接触区域具体通过如下方式确定：其中Rtire为车轮半径；Rdemax为模型中离散元的最大半径；Dtire为车轮宽度；θ为动态接触区域的扩展角度，大小可根据具体情况适当选取，θ一旦确定计算过程中不再变化；D为动态接触区域沿车轮宽度方向的扩展宽度；Rs为以质心O为中心的动态接触区域的扩展半径。进一步地，步骤S3中，确定动态接触区域内离散元时，需记录在该动态接触区域内的离散元编号，其中该动态接触区域内的离散元编号可由下式确定，满足则记录该离散元编号：其中，(xo,yo,zo)为轮胎质心坐标，(xi,yi,zi)为第i个离散元的质心坐标。进一步地，步骤S4中，确定动态接触区域内有限元接触面时，所述动态接触区域内的有限元接触面由以下公式确定，满足则记录该有限元接触面编号：min(zj1,zj2,zj3,zj4)≤zo-Rs·cosθ其中，zj1,zj2,zj3,zj4为第j个有限元接触面上四个节点的Z方向坐标。一种电子设备，包括存储器、处理器、存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述程序时，实现如权利要求1至8中任一项所述的车轮沙石路面仿真中接触对的搜索方法。一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的车轮沙石路面仿真中接触对的搜索方法。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和效果：本专利技术方法在进行车轮沙石路面行驶仿真中不需要对模型中所有离散元及所有有限元接触面进行接触对判断，而是通过采用以车轮质心为基点的动态变化的搜索区域快速获得模型中可能参与接触的离散元与有限元接触对。接触对确定只在一个动态接触区域内进行，大大缩短了接触对搜索消耗时间，节约了计算机内存消耗，提高了计算机执行效率，可快速获得车轮沙石路面行驶仿真的相关分析结果。该专利技术的成功实施对研究越野车辆沙石路面行驶性能具有重要意义。本专利技术可在包括如下三个领域得到广泛应用：(1)越野车沙石路面行驶仿真分析；(2)工程机械车行驶仿真分析；(3)行星探测车行驶仿真分析。附图说明图1表示本专利技术实施例车轮沙石路面行驶仿真模型示意图。图2表示车轮本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种车轮沙石路面仿真中接触对的搜索方法，其特征在于，包括步骤：S1、通过离散元及有限元方法分别得到沙石路面模型和车轮模型并进行接触耦合；S2、控制车轮模型在沙石路面模型上以一定速度开始行驶；S3、确定动态接触区域内离散元编号；S4、确定动态接触区域内有限元接触面编号；S5、确定动态接触区域内离散元及有限元接触对；S6、按照预设的时间步长重复执行步骤S3～步骤S5执行动态接触区域信息更新；S7、更新结束则输出参与接触的离散元与有限元接触对的信息。

【技术特征摘要】
1.一种车轮沙石路面仿真中接触对的搜索方法，其特征在于，包括步骤：S1、通过离散元及有限元方法分别得到沙石路面模型和车轮模型并进行接触耦合；S2、控制车轮模型在沙石路面模型上以一定速度开始行驶；S3、确定动态接触区域内离散元编号；S4、确定动态接触区域内有限元接触面编号；S5、确定动态接触区域内离散元及有限元接触对；S6、按照预设的时间步长重复执行步骤S3～步骤S5执行动态接触区域信息更新；S7、更新结束则输出参与接触的离散元与有限元接触对的信息。2.根据权利要求1所述的搜索方法，其特征在于，步骤S1中，通过离散元及有限元方法分别得到沙石路面模型和车轮模型并进行接触耦合具体是：采用球形离散元描述一定空间尺寸内的沙石路面模型并记录所有离散元单元信息；该沙石路面模型中球形离散元半径按给定范围随机变化，球形离散元单元在自重力作用下压实达到稳定状态，从而形成自然状态下的稳定的颗粒状沙石路面，其中沙石路面底部及四周由固定的刚性墙约束；采用实体有限元描述所述车轮模型并记录车轮模型中有限元信息；定义所述车轮模型的表面被为接触面，当离散元与接触面发生接触时会产生相应接触对，通过计算该动态接触区域内的离散元及有限元接触力即可获得车轮模型与沙石路面模型的相互作用力。3.根据权利要求2所述的搜索方法，其特征在于，所述的离散元单元信息包括材料编号、单元编号、单元力学信息、单元质量及单元半径。4.根据权利要求2所述的搜索方法，其特征在于，所述有限元信息包括材料编号、部件编号、节点编号、节点坐标及节点约束条件、速度、加速度及位移。5.根据权利要求1所述的搜索方法，其特征在于，步骤S2中，所述动态接触区域为车轮模型贴近沙石路面模型的一侧，所述动态接触区域以车轮质心为基点...

【专利技术属性】
技术研发人员：臧孟炎，杨鹏，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44