滚动轮胎接触下几何依赖土壤变形的颗粒尺度机制：基于经验证的三维离散元（3D DEM）与实验研究

《Results in Engineering》：Particle-scale mechanisms of geometry-dependent soil deformation under rolling tire contact: A validated 3D DEM and experimental study

　　

开发了用于轮胎–土壤相互作用分析的经验证三维离散元（three-dimensional discrete element method, 3D DEM）框架；胎面花纹几何控制颗粒速度场与容重（bulk density）演化；V形花纹轮胎（V-shaped treaded tire）诱发更强的三维颗粒运动；光滑轮胎（smooth tire）产生更高且更均匀的土壤压实；SHAP（SHapley Additive exPlanations）分析识别了深度依赖的速度分量对容重的贡献。

论文解读：颗粒材料在滚动接触下的变形是越野车辆、农业交通、轮胎–地形交互和土壤保护等工程系统的基础问题。在土壤–轮胎系统中，接触几何、载荷传递、颗粒重排、剪切变形和压实的耦合决定车辙、机动性、能量耗散和土壤剖面容重演化。已有研究多用实验和有限元（Finite Element Method, FEM）分析，但实验成本高、耗时，难以覆盖所有参数；FEM将土壤视为连续介质，难以直接模拟颗粒尺度滑动、分离、重排和大变形。离散元法（Discrete Element Method, DEM）能描述离散颗粒行为，已有二维DEM、DEM–FEM及三维DEM研究，但胎面几何对颗粒尺度土壤运动、三维流动和深度依赖压实的影响仍缺乏定量认识，尤其自由滚动（非驱动）条件下，驱动扭矩和滑转效应会掩盖纯几何作用。因此研究人员开展一项经实验验证的三维离散元（3D DEM）研究，在相同载荷和自由滚动条件下比较V形花纹轮胎与光滑轮胎，隔离胎面接触几何诱导的土壤变形，关联三维颗粒速度场与不同深度容重（bulk density，单位体积土壤质量）演化，并用土槽实验、统计和SHAP分析进行验证与解释。研究得出，V形花纹轮胎诱发更强的三维颗粒运动、局部重排和更异质的压实，光滑轮胎则形成更连续接触、更均匀应力传递、更高平均容重和更持续的深层压实；这说明胎面几何不仅影响牵引，也控制土壤变形空间分布和深层压实，对轮胎–地形系统设计和土壤保护有意义。

关键技术方法：研究人员基于实测轮胎截面重建CAD和SOLIDWORKS三维轮胎并导入EDEM；按ASTM D6913/D6913M-17筛分0.075–8 mm土壤，用3个500 g样品在3%干基含水率下确定粒径分布；在1000×500×300 mm域生成6,287,590个球形颗粒，采用赫兹–明德林接触模型（Hertz–Mindlin contact model）分层稳定至1680 kg/m³；施加3 kN垂直载荷，以590 mm/s自由滚动1 m；用EDEM传感器记录V_x、V_y、V_z和两层容重；土槽为24×2×1 m，土壤采自附近农田，黏壤土，8%干基含水率，三个2 m小区重复，核取样法测容重和车辙深度；用Python进行Shapiro-Wilk、Wilcoxon、效应量和SHAP分析。

结果：3.1 休止角指数的微观验证：通过实验室漏斗试验与DEM模拟比较，模拟休止角34.6°、实验34.7°，相对误差<0.3%，说明微观参数标定可靠。3.2 车辙深度指数的宏观验证：土槽实验平均车辙37.94 mm、模拟38.68 mm，相对误差1.95%，说明模型能重现宏观土壤变形。3.3 轮胎下方土壤速度场的定性分析：通过速度场比较，V形轮胎使颗粒在纵向、横向和垂向产生更明显的三维运动，光滑轮胎速度主要集中于接触面、向深部穿透有限且前方推土更明显。3.4 V形花纹和光滑轮胎下颗粒速度模式：通过两个深度圆柱区域速度曲线，V形轮胎在50–100 mm和100–150 mm的纵向平均速度较光滑轮胎分别高105.8%和603.8%，横向高195.2%和803.8%，垂向高124.1%和264.9%；但速度大表示颗粒动员强，不等同于永久压实大。3.5 土壤密度和颗粒速度的动态分析：通过同步监测容重与V_x、V_y、V_z，容重在接触前突增、接近表面时因推土膨胀下降、接触后升至接触面中心最高、过后下降；速度与密度峰有轻微时间偏移，说明颗粒动员先于致密化，二者不是简单因果。3.6 轮胎接触几何对密度分布的影响：通过容重曲线和Δρ_b热图，光滑轮胎两层平均容重更高且深层持续压实更强；V形轮胎压力集中于花纹下，压实异质并随深度快速衰减；光滑轮胎深度差异较小，密度向深层传递更有效。3.7 颗粒速度对土壤容重影响的敏感性分析：通过SHAP和随机森林（Random Forest）分析，V形轮胎上层V_z、V_x、V_y相对重要性为49.76%、33.08%、17.15%，深层V_x、V_z、V_y为41.86%、31.29%、26.85%；光滑轮胎两层均以V_x最高，上层54.94%、深层68.08%；表明相对重要性与胎面几何和深度有关，不代表因果。3.8 统计分析：对200个密度样本（四组各50）分析，Shapiro-Wilk显示多数组非正态，Wilcoxon检验两层p<0.001，效应量r为0.8314和0.8505；Cohen's d为?1.5895和?2.6303，光滑轮胎容重显著更高，深层效应更大。3.9 上层容重的实验验证：土槽实验与DEM均显示光滑轮胎压实更高，实验V形轮胎由1677.51±7.36升至1708.49±8.19 kg/m³，光滑轮胎升至1806.38±8.56 kg/m³，模拟趋势一致，支持模型机械一致性。3.10 研究结果的适用性与局限：DEM用球形颗粒且未显式考虑水分毛细和黏聚力，粒径选择是分辨率与计算成本折中；条件为黏壤土8%干基含水率、3 kN、单轮、恒定速度、自由滚动；仅比较一种V形花纹和一种光滑轮胎、单一土壤和有限深度，结论为测试条件下几何依赖趋势，不能直接外推。3.11 与既往研究比较及意义：与Barbosa and Magalh?es关于花纹轮胎表层压实较低的结果一致，与Zhang et al.关于花纹元件引起颗粒扰动的观察一致；与Phakdee and Suvanjumrat的局部压实结果不矛盾，因空间尺度不同；研究把以往牵引、滑转和驱动轮研究扩展到自由滚动，并整合颗粒速度场、深度容重、实验验证、统计检验和SHAP；胎面设计应同时考虑牵引和土壤压实空间分布与深度持续性。

讨论与结论：讨论部分强调宏观压实不能仅由车辙深度或平均密度解释，应结合颗粒尺度运动学；不同胎面几何可产生相似表面变形但不同深部应力路径和密度分布。结论部分翻译如下：本研究开发并验证三维离散元框架，用于研究滚动轮胎接触下几何依赖的颗粒土壤变形；通过比较V形花纹轮胎和光滑轮胎在相同自由滚动、加载和运动条件下的响应，隔离了轮胎接触几何与滑转、驱动扭矩等推进相关效应；土槽实验验证支持模型捕捉两种轮胎配置的相对变形和压实行为。结果表明，胎面几何显著影响颗粒尺度土壤运动、能量再分配和容重演化；V形花纹轮胎产生更强的三维颗粒运动和花纹下局部土壤重排，降低应力向深部传递的连续性并形成更异质压实；光滑轮胎形成更连续接触界面，导致更均匀应力传递、更高平均容重和更持续的深层压实。综合颗粒速度场、容重变化、统计检验和SHAP分析，主导速度分量对容重变异的相对贡献取决于胎面几何和土壤深度：V形轮胎近表层垂向运动作用较大，光滑轮胎尤其深层纵向运动作用更强。工程上，轮胎接触几何不仅关系牵引性能，也是控制颗粒变形和深层压实的关键因素；该DEM框架可支持轮胎–地形系统设计与评估，尤其用于平衡机动性和土壤保护；未来需扩展到不同花纹、土壤含水率、颗粒形状、轴载、滑转和驱动轮条件。