实验室周例会汇报

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（第xx周）@爱弄PPT的老范汇报人：XXX时间：XXX一、本周小结

第11周主要学习了两个方面的知识：

一、LS-DYNA3D软件学习：完成《LS-DYNA3D理论基础与实例分析》第4、5、10章（

鸟撞飞机风挡实例、爆炸模拟实例）。

二、文献阅读：赵春来《基于DEM/FEM的越野车沙地行驶行为仿真评价方法研究》一、LS-DYNA3D软件学习

1.鸟撞飞机风挡实例：应力云图一、LS-DYNA3D软件学习

2.爆炸模拟实例：。二、文献阅读小结基于DEM/FEM的越野车沙地行驶行为仿真评价方法研究1.目的意义2.研究现状3.动力有限元基本原理4.颗粒离散元方法基本原理5.基于DEM/FEM车轮沙地行驶行为仿真研究6.离散元路面生成方法及沙地离散元模型7.改进的DEM/FEM接触算法及车轮沙地行驶行为仿真8.路面更替法及ORV-SAND软件介绍9.总结和展望二、文献阅读小结1.目的意义目的：改善越野车在颗粒类松软路面上的行驶性能。意义：为高性能越野车辆的开发提供重要的技术支撑；促进其在农业机械化、军队高效摩托化、沙漠治理及资源开发、抗震救灾、星球探测等领域的运用。二、文献阅读小结2.研究现状■汽车地面力学的最终目标是建立车辆与地面特性间的相互关系，其研究方法包括：理论方法（不能有效地再现车辆松软地面的行驶行为）、实验方法（虽然可以再现车辆在松软地面的行驶行为，但其成本高、周期长、不能深入分析轮胎与沙粒间的细观作用，且对一些特殊环境难以进行实验分析）、数值仿真方法（成本低、周期短、可深入研究轮胎-沙地间细观作用机理）。二、文献阅读小结2.研究现状■数值仿真方法包括：

有限元方法：该方法能够合理模拟车轮行驶过程中路面的变形和破坏行为，但由于沙地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；

离散元方法：可以很好地描述散体颗粒路面的不连续性，但对于具有复杂结构特性和力学行为的越野车充气轮胎模拟较困难；

离散元与有限元耦合方法：既能准确模拟越野轮胎特性（复杂结构、充气轮胎变形等），又能合理仿真沙地的非连续性及轮胎与沙地的相互作用。二、文献阅读小结3.动力有限元基本原理■更新的拉格朗日格式（以当前构型为参考构型）质量守恒：动量守恒：虚功率方程：边界条件：初始条件：二、文献阅读小结3.动力有限元基本原理■八节点六面体等参单元（六面体等参单元具有计算精度高、且不要求形状大小相同的优点）节点坐标转换公式：位移采用插值求解：有限元系统的质量求解方程：该质量矩阵称为单元的一致质量矩阵，为了提高计算效率、节省存储空间，可采用集中质量矩阵进行动力学计算（行质量和法、对角质量缩放法）。二、文献阅读小结3.动力有限元基本原理■有限元运动方程求解（）中心差分法求解运动方程：

由运动方程求解时刻的加速度，然后由右式求出时刻的速度，时刻的位移，然后通过运动方程求出时刻的加速度。

二、文献阅读小结4.颗粒离散元方法的基本原理■离散单元法的基本求解过程离散单元的运动受牛顿第二定律控制，该方法用于大变形、非线性大位移等动态问题：

球形离散元具有结构简单、便于建模、接触判断算法实现简单等优点，故采用三维球形离散单元描述沙粒的运动行为。

二、文献阅读小结4.颗粒离散元方法的基本原理■离散单元法的基本方程平动方程：转动方程：

上述方程为二阶微分方程，采用显示中心差分法求解。在t时刻的加速度和加角速度如下：

经过一个时间步长，可求在时刻的速度、角速度、位移、加速度等运动参数（步长由尺寸、物理限制）。二、文献阅读小结4.颗粒离散元方法的基本原理■单元间的相互作用力离散单元接触形式采用接触型（考虑单元间的弹性力和阻尼力）；为高效率实现单元间的接触判断及计算效率，本文采用空间划分格子的C-grid方法；离散单元的作用力计算取决于单元间的相对速度和相对位移等运动参数。

二、文献阅读小结4.颗粒离散元方法的基本原理■单元间的相互作用力法向作用力(Hertz理论):切向作用力(Mindlin理论)：二、文献阅读小结5.基于DEM/FEM的车轮沙地行驶行为仿真初步研究■离散单元与有限单元接触算法该方法将离散单元视为“接触从节点”，有限元的面视为“接触主面”。接触算法包括全局搜索和局部搜索两个步骤，在局部搜索中，本文采用双线性参数法（该方法在接触点处构造一个接触面，该面即为接触主面，通过求解偏微分方程组求得接触点坐标，进而求得穿透量。在求解具有光滑几何形状的结构和散体接触时，具有较好的求解精度和计算稳定性）。二、文献阅读小结5.基于DEM/FEM的车轮沙地行驶行为仿真初步研究■离散单元与有限单元接触算法点-面接触及其判断形式：二、文献阅读小结5.基于DEM/FEM的车轮沙地行驶行为仿真初步研究■离散单元与有限单元接触算法点-边接触及其判断形式：若0<t<1,则发生接触二、文献阅读小结5.基于DEM/FEM的车轮沙地行驶行为仿真初步研究■离散单元与有限单元间的作用力计算离散元与有限元接触模型：二、文献阅读小结5.基于DEM/FEM的车轮沙地行驶行为仿真初步研究■离散单元与有限单元间的作用力计算离散单元与有限单元间的法向、切向力：二、文献阅读小结5.基于DEM/FEM的车轮沙地行驶行为仿真初步研究■离散单元与有限单元间的作用力计算车轮的挂钩牵引力N、路面竖直方向反作用力P及滑转率s：二、文献阅读小结5.基于DEM/FEM的车轮沙地行驶行为仿真初步研究■车轮沙地行驶行为仿真分析流程二、文献阅读小结5.基于DEM/FEM的车轮沙地行驶行为仿真初步研究■车轮在规则排列离散元沙地行驶的仿真模型为了验证三维DEM\FEM方法研究沙地行驶行为的正确性。为便于建模，模型中沙地采用密集规则排列的离散单元，土槽和车轮采用六面体有限元单元，不考虑车轮变形。二、文献阅读小结5.基于DEM/FEM的车轮沙地行驶行为仿真初步研究■仿真结果(离散单元整体势能、路面反作用力)验证趋于稳定状态趋于稳定状态二、文献阅读小结5.基于DEM/FEM的车轮沙地行驶行为仿真初步研究■仿真结果(路面反作用力)验证路面反作用力趋于稳定状态，其均值维持在给定数值载荷1295N左右波动。二、文献阅读小结5.基于DEM/FEM的车轮沙地行驶行为仿真初步研究■仿真结果(挂钩牵引力)验证车轮挂钩牵引力趋于稳定状态，其均值135N左右波动。二、文献阅读小结6.离散元路面生成方法及沙地离散元模型■初始离散元路面的生成方法（Han氏散体生成法）基于几何方法的单元生成方法和C-grid接触判断方法结合起来形成新的散体单元生成方法，具体步骤如下：（1）初始生成（2）散体单元密实过程（3）初始生成产生空隙，为提高散体单元的体积密度，在给定范围的任意方向上对已生成球体进行移动。二、文献阅读小结6.离散元路面生成方法及沙地离散元模型■初始离散元路面生成方法（分层生成方法）每次密实完成后，仅在新产生的空间区域中，重新生成散体单元并对新生成的单元进行密实。二、文献阅读小结6.离散元路面生成方法及沙地离散元模型■初始离散元路面生成方法（Han氏和分层法算例）生成相同单元数，分层生成方法比Han氏法效率更高，且随单元数量的增加，计算效率改善更加明显。二、文献阅读小结7.改进DEM/FEM接触算法及车轮沙地行驶行为仿真■改进的离散元与有限元接触算法为提高计算效率，解决计算不稳定问题，参照有限元计算中的局部搜索方法，采用面积坐标法求解接触坐标。二、文献阅读小结7.改进DEM/FEM接触算法及车轮沙地行驶行为仿真■

接触算法的验证（1）

验证所开发的面积坐标方法求解接触点坐标的准确性（三点弯梁在弹性范围的冲击算例）。二、文献阅读小结7.改进DEM/FEM接触算法及车轮沙地行驶行为仿真■

接触算法的验证（1）Ls-dyna、迭代算法，改进算法计算结果较吻合，验证了改进算法的准确性。二、文献阅读小结7.改进DEM/FEM接触算法及车轮沙地行驶行为仿真■

接触算法的验证（2）验证改进算法的计算效率方面的优势（上、下正对的两个平板接触算例）。二、文献阅读小结7.改进DEM/FEM接触算法及车轮沙地行驶行为仿真■接触算法的验证（2）改进算法的结算效率优于迭代算法，且这种优势随单元数的增加而愈加明显。二、文献阅读小结7.改进DEM/FEM接触算法及车轮沙地行驶行为仿真■

接触算法的验证（3）验证改进算法在分析散体离散单元与非光滑表面接触时的稳定性（四棱柱贯入离散单元集算例）。二、文献阅读小结7.改进DEM/FEM接触算法及车轮沙地行驶行为仿真■

接触算法的验证（3）离散单元受到棱柱作用力而被推开，与四棱柱发生接触的单元有较大的位移，该现象与实际情况相符合。二、文献阅读小结7.改进DEM/FEM接触算法及车轮沙地行驶行为仿真■

salve区域自适应更新方法定义一个较小的salve区域，且随车轮的移动而移动，以减少参与接触判断的离散元数，提高计算效率。二、文献阅读小结7.改进DEM/FEM接触算法及车轮沙地行驶行为仿真■

车轮沙地行驶行为仿真分析（仿真模型）（1）确认改进三维离散元和有限元接触方法研究花纹车轮沙地行驶行为的可行性（硬路面和沙地）。二、文献阅读小结7.改进DEM/FEM接触算法及车轮沙地行驶行为仿真■

车轮沙地行驶行为仿真分析（路面反作用力）（1）两种车轮反作用力在1295N左右波动，沙地上，花纹车轮波动略大，由硬路面进入沙地时，产生较大波动。二、文献阅读小结7.改进DEM/FEM接触算法及车轮沙地行驶行为仿真■

车轮沙地行驶行为仿真分析（挂钩牵引力）（2）人字形和光面车轮挂钩牵引力均值分别为180N和110N，其波动规律与路面发作用力相似。二、文献阅读小结7.改进DEM/FEM接触算法及车轮沙地行驶行为仿真■

车轮沙地行驶行为仿真分析（轮胎下陷量）（3）车轮由硬路面进入沙地，由于路面承载能力突变，车轮下陷量迅速增大，随后进入稳定状态，且人字形较大。二、文献阅读小结8.路面更替法及ORV-SAND软件介绍■

车轮沙地行驶的影响区域车轮对沙地的扰动存在一个影响区域，即在行驶方向后方和前方一定范围外，可忽略车轮对沙地的影响，该区域大小与车轮尺寸、行驶速度、沙粒半径等有关。二、文献阅读小结8.路面更替法及ORV-SAND软件介绍■

路面更替法基本原理随车轮的行驶不断删除车轮碾压过的沙地并在车轮行驶前方“铺设”新的沙地路面，以控制沙地离散单元数量规模，提高计算效率。

二、文献阅读小结8.路面更替法及ORV-SAND软件介绍■

光面车轮在同种沙地离散元路面行驶的仿真算例初始路面与车轮模型。

二、文献阅读小结8.路面更替法及ORV-SAND软件介绍■

光面车轮在同种沙地离散元路面行驶仿真算例在沙地样本结合点处，车轮路面法向反作用力等行驶行为参数未发生大范围的剧烈突变，验证了路面更替法对较长沙地路面模拟的可行性。

二、文献阅读小结7.路面更替法及ORV-SAND软件介绍■

花纹车轮在细沙和粗沙路面行驶的仿真算例初始路面与车轮模型。

二、文献阅读小结8.路面更替法及ORV-SAND软件介绍■花纹车轮在细沙和粗沙路面行驶的仿真算例粗沙地上路面反作用力的波动大于细沙路面，主要原因可能是单元半径影响了车轮行驶时的平顺性，粗沙地平顺性较差。

二、文献阅读小结7.路面更替法及ORV-SAND软件介绍■花纹车轮在细沙和粗沙路面行驶的仿真算例由于细沙颗粒排列较粗沙紧密，不容易破坏，可提供较大的驱动力，另外，挂钩牵引力值在粗沙路面波动较大。

二、文献阅读小结8.路面更替法及ORV-SAND软件介绍■花纹车