軟土路面履帶車輛行駛性能研究綜述

常鶴鳴 ，尤小梅 ，王劍松

（沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

0 引言

履帶車輛在軍事、工程和農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域扮演著重要角色。這些車輛在路面的行駛性能很大程度上受到土壤特性的影響，如土壤類型、紋理、含水量和密度等因素。車輛必須能夠有效地應(yīng)對各種土壤條件，以確保行駛穩(wěn)定性、機(jī)動性。隨著科學(xué)和工程領(lǐng)域的不斷發(fā)展，研究人員一直致力于探索解決履帶車輛與土壤路面之間交互問題的辦法，有助于優(yōu)化履帶車輛的設(shè)計(jì)和性能，在軍事、工程和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中具有重要意義。研究人員重點(diǎn)探究了履帶車輛的性能評估以及對土壤路面的離散建模，旨在更準(zhǔn)確地預(yù)測車輛在不同土壤條件下的性能表現(xiàn)。

本文綜述了關(guān)于履帶車輛在土壤路面行駛性能的最新研究成果，包括土壤路面特性、履帶車輛與不同土壤的交互機(jī)制、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展，旨在為改進(jìn)履帶車輛性能提供有價(jià)值的見解。同時，針對當(dāng)前研究領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，展望未來可能的研究方向，期望為未來的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的預(yù)測和優(yōu)化方法，從而更好地滿足各種實(shí)際應(yīng)用需求，推動履帶車輛研發(fā)技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域的進(jìn)步。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 履帶車輛行駛性能研究

目前的文獻(xiàn)研究成果主要集中在履帶車輛的設(shè)計(jì)、行駛性能評價(jià)和動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化等方面。這些研究的創(chuàng)新之處在于深入探討了履帶車輛與地面的相互作用關(guān)系、研究了履帶車輛在特殊環(huán)境下的性能優(yōu)化方案，并采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)和仿真分析方法，從而提高了研究的效率和可靠性。

Kim 等[1]基于Terramechanics 理論和多體動力學(xué)模擬分析方法，深入研究了履帶車輛與變形地面之間的相互作用，強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)適應(yīng)地形的履帶和選擇合適的動力源對行駛性能的重要性。Baek 等[2]研討了1g相似律在履帶-土壤相互作用物理建模中的適應(yīng)性，總結(jié)出要適當(dāng)考慮履帶-土壤上剪切作用的力學(xué)邊界約束，就可以將1g相似律應(yīng)用于履帶-土壤相互作用的評估中。王志波等[3]對履帶車輛的附著性能進(jìn)行了綜述，并提供了新的探討方法和見解。劉瑞強(qiáng)[4]通過評價(jià)履帶車輛的動力性能并提出自動控制規(guī)則，確定了傳動裝置內(nèi)的速度范圍、排擋數(shù)和排擋劃分。楊雨川[5]提出了一種輪履復(fù)合行駛系統(tǒng)，并驗(yàn)證了車輛通過性能和轉(zhuǎn)向性能，為水陸兩棲車輛提供了新的行駛方案。李陽[6]研究了鉸接式履帶車輛的鉸接機(jī)構(gòu)，提高了車輛在特殊地形的通過性和牽引力。陳澤宇等[7]的研究不僅分析了接地長寬比對車輛行駛性能的影響，還為整車結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。魯連軍等[8]分析了電傳動履帶車輛的轉(zhuǎn)向行駛性能及其在不同地面情況下的優(yōu)勢，建立了電傳動履帶車輛模型并進(jìn)行了轉(zhuǎn)向行駛性能的仿真分析，結(jié)果表明電傳動履帶車輛具有靈活性和快速性，尤其在不同地面情況下表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

1.2 土壤路面離散化研究

Shaikh 等[9]使用DEM 模擬研究了履帶板與黏土的相互作用，發(fā)現(xiàn)濕潤的土壤產(chǎn)生了最大的牽引力。Grossoni等[10]開發(fā)了一種半解析方法，計(jì)算鐵路道床在車輛通過時的塑性沉降，并使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型。Xu等[11]開發(fā)了一個矩陣耦合模型，考慮了車輛、軌道結(jié)構(gòu)和路基的相互作用。Xu 等[12]開發(fā)了一個三維車輛-碎石軌道-基礎(chǔ)反應(yīng)模型，并通過數(shù)值實(shí)例展示了該模型在解決土壤彈性不均勻和懸吊枕木接觸問題中的有效性。Tekeste 等[13]使用離散元法建立了土壤反作用力與推土機(jī)刀片尺度之間的關(guān)系，并驗(yàn)證了DEM 模型對推土機(jī)刀片的預(yù)測力。Wang 等[14]通過DEM 模型研究了顆粒半徑對土壤和犁耙相互作用的影響，并推薦了粒徑為7 mm 的顆粒用于準(zhǔn)確預(yù)測。Qi 等[15]通過DEM 模型研究了土壤流動的動態(tài)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)顆粒在流動過程開始時最具動力性。Xu等[16]提出了一個高效準(zhǔn)確的車輛-軌道動力學(xué)評估模型，研究了側(cè)風(fēng)對車輛-軌道動力學(xué)性能的影響。

通過離散元法和多體動力學(xué)模擬，可以更準(zhǔn)確地了解土壤顆粒之間的相互作用，這對于預(yù)測車輛在不同土壤條件下的行駛性能至關(guān)重要。然而，未來的研究需要進(jìn)一步改進(jìn)模型以考慮更多復(fù)雜情況，如表層土壤與深層土壤顆粒接觸模型的選擇。

1.3 車輛與土壤交互研究

現(xiàn)有文獻(xiàn)通過理論分析、試驗(yàn)和仿真方法，深入研究了拖拉機(jī)、履帶車輛和輪式車輛與土壤的相互作用及其行駛性能。這些研究對于車輛設(shè)計(jì)優(yōu)化、農(nóng)機(jī)效率提高和特殊地形作業(yè)具有重要價(jià)值。

Kim 等[17]使用離散元法得出了在沿海地形中車輛輪胎抓地齒的最佳形狀比。為了開發(fā)考慮海岸地形特性的DEM 模型，對地形的物理和力學(xué)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對DEM 模型的參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。Huang 等[18]提出了一種新的滲透儀，模擬水下履帶車輛的軌道土壤相互作用過程，將滲透和剪切結(jié)合成連續(xù)壓縮和扭轉(zhuǎn)。通過數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)，對可行性和有效性進(jìn)行了評價(jià)。Li 等[19]使用有限元建模和數(shù)值迭代方法開發(fā)了一個模擬板式軌道土壤相互作用的變形協(xié)調(diào)過程的仿真程序。Li 等[20]提出了一種實(shí)用的工程方法，描述了土壤變形與系統(tǒng)性能之間的映射關(guān)系。尚莉麗[21]的研究通過理論分析和試驗(yàn)確定了農(nóng)田土壤的物理性能和力學(xué)性能參數(shù)，并建立了輪胎與土壤相互作用的仿真模型。研究發(fā)現(xiàn)，垂直載荷、滑轉(zhuǎn)率、胎壓和輪胎花紋密度是影響輪胎牽引性能的重要因素。Chen 等[22]的研究側(cè)重于分析履帶車輛的行駛性能，并對履帶底盤進(jìn)行優(yōu)化。在考察了履帶車輛作業(yè)環(huán)境后，發(fā)現(xiàn)地面主要由顆粒狀物質(zhì)（如砂礫石）構(gòu)成。因此，選擇了類似于砂礫石的離散元法（DEM）模型進(jìn)行研究。此外，在對履帶車輛進(jìn)行多體動力學(xué)（MBD）建模后，通過DEM-MBD仿真耦合對履帶車輛的行駛和轉(zhuǎn)彎性能進(jìn)行了分析。劉妤等[23]針對丘陵山區(qū)作業(yè)環(huán)境影響履帶車輛的機(jī)動性能這一問題，建立了履帶車輛地面力學(xué)模型，并通過數(shù)值分析和仿真分析驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性和可靠性。郭靜等[24]采用細(xì)觀離散元法，通過土壤參數(shù)試驗(yàn)和履帶板土槽試驗(yàn)，分析了履帶車輛與地面的相互作用關(guān)系，并得到了履帶車輛轉(zhuǎn)向阻力變化規(guī)律。Zhou等[25]提出了一種預(yù)測車輛—軌道—隧道—土壤系統(tǒng)振動的三維解析模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Baek等[26]進(jìn)行了關(guān)于履帶系統(tǒng)在黏性土壤中的土壤推力機(jī)制的實(shí)驗(yàn)研究。

研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了車輛與土壤之間的相互作用對于車輛的牽引性能至關(guān)重要。此外，研究還強(qiáng)調(diào)了在特殊環(huán)境下優(yōu)化車輛性能和提高車輛機(jī)動性的重要性。

2 結(jié)論與展望

本文針對履帶車輛-土壤路面的交互作用，歸納了履帶車輛行駛性能、土壤離散元模型、履帶車輛-土壤路面交互的研究現(xiàn)狀，分析總結(jié)了車輛行駛動力學(xué)和土壤路面離散元法耦合的應(yīng)用情況和改進(jìn)方向。但是目前有關(guān)履帶車輛與土壤路面相互作用模型的研究，主要集中在履帶系統(tǒng)與土壤的動態(tài)和靜態(tài)性能方面，忽略了不均勻地形和外部環(huán)境因素對車輛性能的影響，例如，土壤在剪切破壞后形成的土堆如何影響車輛行駛性能。因此，未來的研究可以考慮從以下方面擴(kuò)展：

1）顆粒接觸模型的多樣性選擇。為了更準(zhǔn)確地模擬路況多變性，研究可以根據(jù)不同類型土壤選擇多樣的顆粒接觸模型，包括涵蓋不同土壤層次和顆粒組成的模型。這將有助于更準(zhǔn)確地模擬真實(shí)道路情況，從而提高對車輛性能的預(yù)測精度。

2）綜合考慮外部因素的影響。研究可進(jìn)一步擴(kuò)展，考慮多種外部因素，如天氣條件、路面濕度、路況變化等。這些因素都可能對車輛的行駛性能產(chǎn)生重要影響，因此需要被納入交互模型的擴(kuò)展中。

3）分析車輛不同行駛速度下土壤的剪切破壞情況。研究可深入探討不同速度下履帶與土壤的多次剪切破壞過程，以詳盡了解土壤的宏觀和微觀變形情況。這將有助于更全面地理解變形對車輛行駛性能的影響。

綜合考慮上述因素，開展車輛與路面交互作用的研究，將有助于提高履帶車輛在軟土路面上的行駛性能，從而更好地滿足不同實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的需求。