地面力学---第一章

1、工程机械地面力学与行驶理论Terramechanics is the study of soil properties, specifically the interaction of wheeled or tracked vehicles on various surfaces.第一章 绪论 1.1地面力学的研究范围 1.2研究地面力学的意义 1.3地面力学的发展概况 1.4地面力学的研究方法 看了以上的图片和对地面力学的解释，你是否清楚地面力学的研究对象、研究目的、研究任务。1.1地面力学的研究范围 地面力学（Terramechanics）是工程力学的一个分枝，这门学科主要研究机器与其工作

2、地面（土壤）之间的相互作用过程，所以又叫土壤-机器系统力学。所谓机器包括工程机械、农业机械、履带式车辆和轮式车辆等等；所谓的地面包括松软土壤和硬路面。本书主要研究工程机械（包括工作装置）和地面的相互作用，故称之为工程机械地面力学与行驶理论研究任务 1.用理论分析和试验的方法揭示车辆在不同外界环境下的真实工作特性，预测车辆的牵引性能、滚动阻力及地面的承载能力 2.研究土壤的切削加工阻力，以达到改进车辆牵引性能，进行车辆参数和土壤条件的合理匹配，充分发挥车辆的工作能力这一目的。 3.根据不同土壤的物理机械特性、轮胎和履带的力学特性以及车辆负荷和车辆总体参数之间所存在的相互关系，建立一系列理论公式、

3、纯经验或半经验公式，来进行车辆的优化设计和创造理想的行驶车辆。地面力学研究的主要内容 1.车辆和地面的相互作用-预测车辆的牵引性能和行驶阻力，为合理设计、选择和运用车辆提供理论基础。 2.车辆的通过性和越障能力以及土壤的承载能力 3.工作装置和土壤的相互作用-研究土壤的切削阻力以及土壤切削机具的结构形式，以减少作业阻力和功率消耗，提高作业效率。 4.车辆的振动问题-车辆的平顺性 5车辆的两栖性能-车辆在水陆之间过渡地段上的性能。研究地面力学的意义 1.工程机械只有和地面相互作用，才能完成其功能。车辆在地面上行驶要靠土壤来支撑，要借助土壤反力来发挥推进力，还要用推进力来牵引作业机具有进行地面作业

4、，况且大多数工程机械的作业对象就是土壤，所以工程机械和地面是一个自然的统一体。 2.无论对国防事业还是工农业的发展都有着极其重要的现实意义。车辆不易通过地形复杂、土壤形状多变的地区而大大限制了该地区国民经济的发展。战车难以逾越沼泽，海滩或者沙漠地带而延误了宝贵的战机，拖拉机胜任不了水田作业而使水稻生产根本摆脱繁重体力劳动的落后局面等等。 3.在军事上，车辆和机械的通过性与越野性能，更是非常重要的问题。第二次世界大战期间，由于一些国家的战车不适应某些作战地区的土壤条件，行驶困难，贻误了战机，结果造成重大的伤亡，甚至整个作战计划遭到破坏。 4.地面力学的研究成果和提高机器工作效率、降低生产成本有密

5、切的关系。如果通过地面力学的研究，减少车辆的行驶阻力，减少工作装置的切削阻力，解决与土壤性质的合理匹配，提高车辆的动力性和经济性，那么其效益是相当可观的。1.3地面力学的发展概况 1.19世纪初：1）盖斯纳尔Gerstner于1813年发表了车轮尺寸、载荷、轮辙深度与牵引力之间关系的理论研究结果。并建设车轮载荷与土壤变形间存在直线关系。 2.1875年Wust提出了车轮设计的简化方法：胡斯塔公式 19世纪中期，由于铁路建设的迅速发展，对降低马车行驶阻力的研究兴趣减少了，知道20世纪初，特别是19101936年，由于拖拉机的出现以及运输车辆本身重量的大大增加，人们对车辆在软土壤的行驶阻力重新给予

6、了必要的注意。 1913年德国学者R.Bernstein 研究了从动车轮的下陷问题，提出了土壤在压力的作用下，单位面积压力p和下陷量z之间的关系式：p=Kz0.5 （K土壤变形模数） 继伯恩斯坦发表论文后的20年间，德国、苏联、意大利进行了较多的研究，不过，总的来说，对这方面的研究还是很有限的，也不普遍。30年代苏联学者列拖石涅夫等根据对农业机械理论的研究结果，提出采用通式来描述上述关系，即：p=Kzn （n为土壤变形指数）1944年，加拿大成立了车辆-地面力学实验室，随后，美国成立了陆地行驶实验室19501952年，贝克在美国斯蒂文斯工学院讲解Theory of Land Locomotio

7、n19521954年，贝克在约翰霍布金朗大学工作，在此期间，他对土壤下陷和行驶阻力的塑性问题进行了专门的研究。 19541960年，贝克在美国底特律市领到了陆地运动研究所的工作，在此6年内从事于用试验办法测定土壤下陷的各个参数值的工作，并致力于车辆-地面力学的基础上进一步发展车辆地面关系的数学模型，所有这些成果都综合在1960年出版的越野行驶一书内。 1960年，贝克离开陆上运动研究所，去美国通用公司的国防研究所工作，专门从事用于勘探月球的车辆研究工作。成功设计了适用于月球表面的车辆，后来，此登月车由阿波罗宇宙飞船送上月球。 1964年以后，利斯与黄祖永合作，对车轮作用下土壤的流动和破坏现象进

8、行试验观测研究，并于1967年发表了车轮作用下土壤破坏两种流动区的研究结论。另外，英国剑桥大学土壤力学研究小组，遵循连续介质力学的理论，提出了饱和土的临界状态理论，开辟了地面力学理论研究的一个新渠道。 在日本，田中孝等人对拖拉机在水田地区的通过性问题，运用圆锥指数法的观点进行了大量的研究工作，并建立了一系列相应的经验公式。 1972年在瑞典的斯德哥尔摩，1975年在美国的底特律，和1978年在奥地利的维也纳，先后召开了第四、第五和第六次车辆-地面力学国际会议。特别是最近，由于对越野性能的计算机模拟以及塑性理论和有限单元法等在预测轮胎与车辆性能方面的应用，使得车辆-地面力学的研究工作又大大地前进

9、了一步。总之，世界各国，特别是美国、加拿大、前苏联、日本和前西德，为了研究地面-车辆力学，不惜投入大量的人力物力，充分利用了各种最先进的理论及测试手段。月球车、高通过性水陆两栖战车和南极冰封地带牵引车等出现，就是这些研究的产物。国内发展情况 早在50年代初期，我国科学工作者就认识到把土壤和机器作为一个系统来研究的必要性，并开始筹建室内外试验土槽。农业系统的院校和科研单位，对土壤-车辆力学和土壤-耕作力学也做了多种试验和研究，并取得了可惜的成绩。 1982年，在陈秉聪教授等的提倡下，于无锡召开了“中国地面-机器系统研究会成立大会暨第一届学术会议”，从而使我国地面力学的研究活动得到了更好的开展。1

10、984年于武汉，1985年于天津，1987年于南京，1988年于长春，1990年于西安，先后召开了“全国地面-机器系统研究会”各届学术会议。1.4地面力学的研究方法 1.4.1纯经验方法 先用观察和测量手段来鉴定土壤的特性，再将车辆在各种土壤上进行试验，然后根据两组试验结果，找出土壤特性和车辆性能之间的关系。 美国的WES圆锥指数法（用圆锥仪先测出某种土壤的圆锥指数，然后在同种土壤上用车辆进行试验，在连续通过50次后的车辙内再测出所需要的最小圆锥指数，两者进行比较，就可以判断出此车辆在该种突然上的通过性）： 1）优点：方法简单、快速、直观可靠，各国目前仍在采用。 2）缺点：需要大量的试验，且所

11、得到结果又有局限性，不能推广到试验范围以外的情况上去 1.4.2半经验法 对车轮在软土壤上的作用进行力学分析，确定和测量合适的土壤性质参数，并推导出包括车辆和土壤参数得简化方程式。 半经验法目前用得最广纯经验法与半经验法有何不同？ 纯经验：先用观察和测量手段来鉴定土壤的特性，再将车辆在各种土壤上进行试验，然后根据两组试验结果，找出土壤特性和车辆性能之间的关系。 半经验：对车轮在软土壤上的作用进行力学分析，确定和测量合适的土壤性质参数，并推导出包括车辆和土壤参数得简化方程式。其研究特点与纯理论研究有所不同，不是把所有现象都用基本土壤力学来说明，而是比较近似地，甚至带有经验性地探求土壤和行走装置的

12、相互作用关系，为设计和发展新型越野车辆提供依据和途径1.4.3基本理论研究方法 定义：用最新的塑性理论或者有限单元法等来研究土壤与车轮的相互作用。 塑性理论：是固体力学的一个分支，它主要研究固体受力后处于塑性变形状态时，塑性变形与外力的关系，以及物体中的应力场、应变场以及有关规律，及其相应的数值分析方法。物体受到足够大外力的作用后，它的一部或全部变形会超出弹性范围而进入塑性状态，外力卸除后，变形的一部分或全部并不消失，物体不能完全恢复到原有的形态。要注意的是塑性力学考虑的永久变形只与应力和应变的历史有关，而不随时间变化，永久变形与时间有关的部分属于流变学研究的范畴。 有限单元法：是一种有效解决

13、数学问题的解题方法。其基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式 ，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。有限元方法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟。1.4.4模型试验和因次分析方法 模型试验就是把自然物理现象中的一切与车辆工作过程有关的因素按一定的比例缩小，并将该现象搬到试验室的土壤中来观察和实验，然后再将观察和实验得到的结果用一定的比例放大，从而得到发生于原型中的物理现象。 优点：1）可以很好地控制所有的试验参数，尤其是试验条件，对于一些简单基本的概念可以很快、很经济地进行推断。 2）易于消除或至少减轻其干扰程度 缺点：不能解决微观局部现象，那就要用实物原型试验 1.4.5电子计算机模拟方法 AMC-71地面机