土质地形上车辆动力学仿真的实验验证

《Journal of Terramechanics》：Experimental validation of vehicle dynamics simulation on a soil terrain

　　

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  建立了一个整车MBD–DEM耦合仿真模型，用于可变形土壤地形上的行驶分析。
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  将土壤地形行驶分析从单轮系统扩展到整车层面，并通过实验进行了验证。
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  从轮式试验台实验中辨识的土壤接触参数被应用于整车尺度并进行了验证。
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  耦合模型在平坦土壤地形上再现了纵向和垂向车辆响应，均方根误差控制在15%以内。
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  将经验证的MBD–DEM模型应用于坡道行驶仿真，分析不同坡度角下车辆行为。

引言

无人地面车辆（UGV）近年来在国防、农业、建筑和灾害救援等领域得到了越来越多的应用，这些任务涉及非铺装路面行驶，从而使得预测车辆在可变形土壤地形上的行驶性能变得愈发重要。与铺装路面不同，非铺装土壤地形在车辆载荷作用下会持续发生变形，轮胎与土壤之间的接触条件也在不断变化。因此，车辆会经历沉陷、滑转、牵引力损失、车身振动和姿态变化等复杂的车–土相互作用现象（Liang等，2020）。特别是加速、减速和越障等瞬态行驶工况下，由于土壤变形与车辆动力学响应之间的耦合作用，会表现出强烈的非线性行为。因此，为了准确预测车辆在可变形土壤地形上的行驶稳定性和动力学响应，以车辆动力学和土壤变形行为为基础的仿真模型实验验证研究是先决条件。在车–土相互作用分析方面，基于Bekker和Wong理论的地形力学模型已被广泛使用（Bekker，1960；Wong，2009；Park等，2004）。这些模型基于压力–沉陷关系和剪切应力模型，能够相对高效地进行车辆机动性分析。然而，基于连续介质的经验模型在直接表征粒子级行为方面存在局限性，例如颗粒重排、局部坍塌、土堤形成以及轮胎反复碾压引起的土壤扰动。相应地，将土壤建模为离散颗粒集合的离散元法（DEM）近年来被积极应用于可变形地形分析。DEM能够基于颗粒间接触力、摩擦力、内聚力和滚动阻力计算土壤变形，在物理表征实际土壤行为方面具有优势（Taheri等，2015；Swamy等，2023）。以往的基于DEM的研究主要集中在单胎条件下的轮胎–土壤相互作用特性分析。Jiang等（2018）利用单胎试验台分析了滑转和沉陷行为，Du等（2017）研究了土壤地形上单胎的转向特性。此外，Nakashima等（2010）利用DEM分析了单胎在斜坡土壤地形上的滑转和驱动扭矩特性，Acquah和Chen（2023）通过实验和DEM仿真比较了重复加载条件下的土壤变形和沉陷行为。尽管这些研究对理解轮胎–土壤相互作用的基本机理做出了重要贡献，但在充分解释实际车辆行驶过程中发生的整车动力学响应方面存在局限性。在实际车辆行驶中，与单胎条件不同，前后轮之间的载荷转移、悬架系统引起的车身运动以及多个轮胎依次经过同一地形时累积的土壤变形会同时发生。特别是，当后轮经过前轮先前扰动过的土壤时，土壤条件会持续变化，直接影响车辆的纵向和垂向动力学响应。此外，在越过颠簸等障碍物时，轮胎着地瞬间会产生较大的冲击载荷和俯仰运动，仅通过单胎级别的验证难以充分预测实际车辆行为。换言之，可变形地形分析的关键不在于简单地再现土壤变形本身，而是基于经验证的土壤模型准确预测实际车辆动力学行为和行驶性能。因此，验证通过单胎实验辨识的DEM接触参数在整车行驶条件下是否仍然有效，是一个重要的工程问题。鉴于此，本研究构建了一个耦合基于DEM的可变形地形模型和基于MBD的车辆模型的整车–土壤相互作用仿真框架，以验证通过单胎实验辨识的DEM接触参数是否同样适用于实际整车行驶条件。首先，进行了轮胎拖拽实验以测量沉陷和土堤形成剖面，并基于测量结果辨识DEM接触参数。随后，将辨识的参数应用于整车仿真，并通过比较仿真结果与土壤地形上加速–减速和越障行驶条件下的整车行驶实验结果，评估模型的有效性。特别是，比较了纵向加速度、垂向加速度和俯仰速率的时程响应，并通过基于重复测试的标准差分析、归一化均方根误差分析、主要峰值响应对比以及前后轮胎接触事件时序对比，进行了整车级别的定量验证。最后，本文其余部分的结构如下：第2节描述了轮胎–土壤相互作用分析的DEM接触模型和MBD–DEM耦合仿真框架。第3节介绍了轮胎拖拽实验流程和基于沉陷剖面对比的DEM接触参数辨识过程。第4节介绍了整车的多体动力学模型，并通过沥青路面越障行驶实验验证了车辆模型。第5节通过在加速–减速和越障行驶条件下比较整车行驶实验和仿真结果，验证了MBD–DEM耦合仿真模型在可变形土壤地形上的可靠性。最后，第6节给出了本研究的主要结论。

章节摘要

轮胎–土壤相互作用建模

本研究开发了一个MBD–DEM耦合仿真框架，用于分析车辆在可变形地形上的行驶行为。所提出的框架使用商用MBD求解器RecurDyn和自主研发的基于DEM的颗粒动力学求解器XDynamics（Jung等，2019；Shin等，2020；Jeong等，2022）构建。RecurDyn计算车辆动力学响应，而XDynamics将土壤建模为离散颗粒集合，计算颗粒–颗粒和轮胎–颗粒

土壤接触参数辨识

本研究采用图3所示的系统化流程来辨识基于DEM的轮胎–土壤相互作用仿真所需的接触参数。整个流程包括实验数据获取、目标DEM参数的定义与假设、敏感性分析、参数探索（参数扫描）和最终标定。

首先，进行了轮胎拖拽实验以获取沉陷剖面数据，这些数据用作与DEM

车辆建模与验证

本节在耦合MBD–DEM仿真之前，介绍了车辆MBD模型的配置及其验证结果。由于本研究的主要目标是分析车–土相互作用引起的车辆动力学行为，因此有必要首先验证车辆动力学模型能够可靠地再现真实的车辆行为，然后再进行耦合仿真。为此，首先在多体车辆模型在

土壤地形行驶仿真及其验证

本研究通过单胎实验辨识了DEM接触参数。本节通过将辨识的参数应用于整车行驶条件来验证其有效性。

为此，在相同条件下进行了整车行驶实验和MBD–DEM耦合仿真，并比较了结果。仿真中的车辆行驶输入通过直接施加各轮胎的测量角速度来

结论

本研究开发并通过实验验证了一个MBD–DEM耦合仿真框架，用于分析车辆在可变形地形上的整车行驶行为。以往的基于DEM的车–土相互作用研究主要集中在单胎层面的沉陷和牵引力行为，而整车动力学响应的实验验证较为有限。为了解决这一局限性，将通过单胎拖拽实验辨识的DEM接触参数应用于

CRediT作者贡献声明

Jeong Jin Park：调查、论文撰写（初稿）。Yanshuai Zhu：调查。Jeong Hyun Sohn：方法论。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由韩国国家研究基金会（NRF）拨款资助（韩国政府MSIT支持）（项目编号：RS-2026-25492842）。

Jeong Jin Park|Yanshuai Zhu|Jeong Hyun Sohn