一种松软土行驶性能仿真分析方法及系统

本技术涉及车辆控制，尤其涉及一种松软土行驶性能仿真分析方法及系统。

背景技术：

1、车辆（尤其工程车辆、农机、特种越野车辆）在松软土（如砂土、粉土、松散耕层、回填土、泥沙混合层等）上行驶时，轮胎与土体之间产生显著的大变形、剪切破坏、颗粒重排、沉陷与堆积等现象。该类问题直接影响车辆的牵引能力、通过性、能耗、稳定性与轮胎磨耗。在大载荷条件下（如单轮垂向载荷达3500–4500n），土体结构破坏更强、沉陷更深、轮胎接地压力更集中，传统的经验模型或小载荷标定参数往往失效，导致对高负载工况的牵引/滑转预测偏差增大。

2、相关技术中，经验模型在大载荷、高速、显著剪切破坏时精度下降：通常依赖简化接地形状、均匀压力分布、稳态剪切层厚度等假设，难以描述颗粒重排、局部塌陷、堆土与动态效应，导致仿真过程的稳定性较差。

3、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、本技术的主要目的在于提供一种松软土行驶性能仿真分析方法及系统，旨在解决现有技术中松软土行驶性能分析时在大载荷、高速、显著剪切破坏的工况下，经验模型因依赖简化假设，无法准确描述颗粒重排、局部塌陷和动态效应，导致仿真过程的稳定性较差的问题。

2、本技术实施例第一方面提供一种松软土行驶性能仿真分析方法，所述松软土行驶性能仿真分析方法包括如下步骤：

3、建立颗粒介质模型和车轮多体动力学模型；

4、根据所述颗粒介质模型和所述车轮多体动力学模型，构建物理闭环仿真模型；

5、在所述物理闭环仿真模型建立后，生成控制函数；

6、根据所述控制函数确定多组工况参数，基于所述物理闭环仿真模型，根据多组所述工况参数进行联合仿真，得到仿真数据，以按照仿真数据控制车辆运行。

7、可选地，在本技术的一个实施例中，所述颗粒介质模型为edem颗粒床，所述车轮多体动力学模型为recurdyn车轮模型；

8、所述建立edem颗粒介质模型和车轮多体动力学模型，具体包括：

9、定义颗粒材料参数与粒径分布，在edem中创建土槽并设置边界，在所述边界内将所述颗粒材料参数和所述粒径分布的颗粒进行沉降，形成edem颗粒床；

10、构建车辆对应车轮的物理实体，并在所述物理实体上建立轮轴运动副和平动自由度，形成recurdyn车轮模型。

11、可选地，在本技术的一个实施例中，所述根据所述颗粒介质模型和所述车轮多体动力学模型，构建物理闭环仿真模型，具体包括：

12、将所述recurdyn车轮模型中的车轮几何体标记为参与耦合的几何对象；

13、在所述edem颗粒床中将所述几何对象设置为与颗粒接触的几何体，并定义接触属性；

14、将所述edem颗粒床和所述recurdyn车轮模型中的坐标系和单位进行统一，并设置耦合通信步长和积分控制参数，形成初始耦合模型；

15、在所述初始耦合模型上运行短时测试仿真，得到测试结果，若所述测试结果满足要求，则将所述初始耦合模型作为物理闭环仿真模型。

16、可选地，在本技术的一个实施例中，所述控制函数包括法向载荷函数、轮心纵向速度函数和轮轴角速度函数；

17、所述按照预设的分阶段控制时序生成控制函数，具体包括：

18、在所述载荷建立阶段，生成所述法向载荷函数，使法向载荷从零平滑增加至目标法向载荷，并在所述载荷建立阶段结束后保持恒定；

19、在所述沉陷稳定等待阶段，保持所述轮心纵向速度为零；

20、在所述运动建立阶段，同时生成所述轮心纵向速度函数和所述轮轴角速度函数，使轮心纵向速度从零平滑增加至目标纵向速度，使轮轴角速度从零同步平滑增加至目标角速度，并在所述运动建立阶段结束后分别保持恒定；

21、所述目标角速度依据车轮半径与滑转率由目标纵向速度计算，满足：；其中，为车轮半径，为滑转率，为目标纵向速度，为目标角速度。

22、可选地，在本技术的一个实施例中，所述平滑过渡函数为半余弦函数，所述半余弦函数的归一化表示为：

23、；

24、其中，为归一化平滑过渡函数值，为归一化时间变量；

25、所述法向载荷函数在所述载荷建立阶段采用所述半余弦函数从零平滑增加至目标法向载荷；

26、所述轮心纵向速度函数和所述轮轴角速度函数在所述运动建立阶段采用所述半余弦函数从零同步平滑增加至各自的目标值。

27、可选地，在本技术的一个实施例中，所述根据所述控制函数确定多组工况参数，具体包括：

28、确定待仿真的工况组合矩阵，其中，所述工况组合矩阵包括速度参数、滑转率参数和目标法向载荷参数；

29、根据所述工况组合矩阵，对所述控制函数中的所述速度参数、所述滑转率参数和所述目标法向载荷参数进行逐工况替换，得到多组工况参数，其中，各工况的所述控制函数的函数结构保持不变。

30、可选地，在本技术的一个实施例中，所述仿真数据包括牵引力、滚动阻力、沉陷位移、轮轴扭矩和功耗；

31、所述基于所述物理闭环仿真模型，根据多组所述工况参数进行联合仿真，得到仿真数据，具体包括：

32、将每组所述工况参数输入至所述物理闭环仿真模型中进行联合仿真，生成每组所述工况参数对应的仿真结果；

33、在稳态窗口内提取所述仿真结果中的牵引力、滚动阻力、沉陷位移、轮轴扭矩和功耗。

34、本技术实施例第二方面还提供一种松软土行驶性能仿真分析系统，其中，所述松软土行驶性能仿真分析系统用于实现上述方案中任一项所述的松软土行驶性能仿真分析方法；所述松软土行驶性能仿真分析系统包括：

35、模型构建模块，用于建立颗粒介质模型和车轮多体动力学模型；

36、模型耦合模块，用于根据所述颗粒介质模型和所述车轮多体动力学模型，构建物理闭环仿真模型；

37、函数构建模块，用于在所述物理闭环仿真模型建立后，按照预设的分阶段控制时序生成控制函数，其中，所述分阶段控制时序包括先后依次进行的载荷建立阶段、沉陷稳定等待阶段和运动建立阶段，所述控制函数在各阶段之间的过渡点采用平滑过渡函数，所述平滑过渡函数使控制输入在过渡点处的一阶导数为零；

38、仿真数据输出模块，用于根据所述控制函数确定多组工况参数，基于所述物理闭环仿真模型，根据多组所述工况参数进行联合仿真，得到仿真数据，以按照仿真数据控制车辆运行。

39、本技术实施例第三方面还提供一种终端，其中，所述终端包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的松软土行驶性能仿真分析程序，所述松软土行驶性能仿真分析程序被所述处理器执行时实现如上所述的松软土行驶性能仿真分析方法的步骤。

40、本技术实施例第四方面还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有松软土行驶性能仿真分析程序，所述松软土行驶性能仿真分析程序被处理器执行时实现如上所述的松软土行驶性能仿真分析方法的步骤。

41、有益效果：本技术提供一种松软土行驶性能仿真分析方法及系统，本技术通过分阶段控制时序与半余弦平滑函数显著降低了耦合初期的冲击，有效减少了颗粒穿透和接触力尖峰，使仿真过程更稳定；通过速度-滑转率一致性约束公式自动计算角速度，消除了人为调参带来的不一致性，确保了不同工况之间对比的公平性；能够实现27种工况的参数化批量仿真，大幅提升了分析效率，能够在不依赖大量实车试验的情况下，快速覆盖并评估大载荷、高速、不同滑转率下的综合行驶性能；本技术能够准确重现土体的颗粒剪切破坏与堆积机理，为轮胎结构优化和车辆通过性设计提供可直接应用、高可信度的仿真依据。