namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»VBPUUNnami-425Research ArticleАВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЕAUTOMOBILE DEVELOPMENTМетод валидации деформационных свойств несвязного грунта в контактной задаче «колесо–грунт»Method of validation of deformation properties of non-cohesive soil within the “wheel–soil” contact problemВольскаяН. С.VolskayaN. S.

Вольская Наталья Станиславовна – д-р техн. наук, профессор

г. Москва 105005

г. Москва 125438

Volskaya N.S. – D.Sc. (Eng), professor

Moscow 105005

Moscow 125438

БасмановИ. В.BasmanovI. V.

Басманов Иван Вадимович – аспирант

г. Москва 105005

Basmanov I.V. – postgraduate

Moscow 105005

basmanov.i.v@bmstu.ruФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»; ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»РоссияFederal State Autonomous Educational Institution of Higher Education “Bauman Moscow State Technical University”; Federal State Unitary Enterprise “Central Scientific Research Automobile and Automotive Engines Institute” (FSUE “NAMI”)Russian FederationФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»РоссияFederal State Autonomous Educational Institution of Higher Education “Bauman Moscow State Technical University”Russian Federation2025080120260496111Copyright © Вольская Н.С., Басманов И.В., 20262026Вольская Н.С., Басманов И.В.Volskaya N.S., Basmanov I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nami.elpub.ru/jour/article/view/425

Введение (постановка задачи и актуальность). Существует необходимость в прогнозировании и анализе допустимого уровня силового нагружения движителя транспортного средства (ТС) и грунта без проведения большого числа экспериментов на местности в полевых условиях. Полученные результаты исследования позволят на стадии конструирования ТС анализировать влияние дорожно-грунтовых условий эксплуатации на выбор параметров движителя.

Цель исследования – верификация и валидация имитационного процесса взаимодействия движителя (на примере жёсткого колеса/штампа) с деформируемым грунтом (например, сухим песком).

Методология и методы

Методология и методы. Модель представлена на основе лицензионного программного обеспечения EDEM, её применение реализовано с помощью метода имитационного компьютерного моделирования. За основу решения задачи взяты результаты верификации и валидации лабораторных и имитируемых на компьютере физических процессов известной контактной задачи системы «колесо/штамп–грунт».

Результаты и научная новизна. Проведено сравнение с результатами лабораторных экспериментов: 1) по углу внутреннего трения оригинального и искусственного песка, разница значений не превышает 4%; 2) по глубине колеи при плоском сдвиге, в интервале средних давлений 50–130 кПа в пятне контакта, отличие не превышает 5–10%. Сделан вывод, что можно прогнозировать измерители деформационных свойств несвязного грунта на основе модели процесса «осадка –свободный сдвиг» на примере активного жёсткого колеса/штампа в задаваемых соотношениях вертикальной и сдвигающей нагрузок в пятне контакта движителя ТС.

Практическая значимость

Практическая значимость. Впервые в исследованиях рассмотрено цифровое моделирование механики поведения пятна контакта колеса при его движении по несвязному искусственному грунту. Результаты исследования могут быть применены при выборе типа или конструктивной разработки движителя ТС.

Introduction (problem statement and relevance). There is a need to predict and analyze the permissible loading level of the vehicle running gear and soil without conducting a large number of experiments in the field. The obtained results of the study will make it possible to analyze impact of road & soil operational conditions on the choice of the running gear parameters during the vehicle design stage.

The purpose of the study is to verify and validate the process of imitation of running gear interaction (using the example of a rigid wheel/die) with deformable soil (e.g. dry sand).

Methodology and research methods. The model is presented based on the licensed software EDEM, its application is realized by using the method of computer-aided simulation modelling. The solution of the problem is based on the verification and validation results of laboratory and computer-simulated physical processes of the known “wheel/die–soil” contact problem.

Scientific novelty and results. Comparison with the laboratory experiment results was performed:  1) by the internal friction angle of original and artificial sand, the difference in values does not exceed 4%;

2) by the track depth in case of an in-plane shear, within the interval of average pressures of 50–130 kPa in the contact patch, the difference does not exceed 5–10%. A conclusion has been made that it is possible to predict the non-cohesive soil deformation properties measures based on the “sinkage–free shear” process model using the example of an active rigid wheel/die within the set ratios of the vertical and shear loads in the contact patch of the vehicle running gear.

Practical significance. It is the first time when a study deals with digital simulation of mechanical behavior of the wheel contact patch when the wheel moves on non-cohesive artificial soil. The results of the study can be applied in choosing the type of or designing the vehicle running gear.

осадка – сдвиг жёсткого колеса/штампадискретная модель частицы пескаверификациявалидацияцифровая модель внешней механики колесаsinkage–shear of a rigid wheel/diesand particle discrete modelverificationvalidationdigital model of wheel outer mechanicsReferencesБабков В.Ф., Бируля А.К., Сиденко В.М. Проходимость колёсных машин по грунту. – М.: Автотрансиздат, 1959. – 189 с.Babkov V.F., Birulya A.K., Sidenko V.M. [Crosscountry ability of wheeled vehicles on soil]. Moscow, Avtotransizdat Publ., 1959. 189 p. (In Russian)Беккер М.Г. Введение в теорию местность–машина / под ред. В.В. Гуськова. – М.: Машиностроение, 1973. – 520 с.Bekker M.G. [Introduction to the terrain-machine theory. Ed. by Guskov V.V.]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1973. 520 p. (In Russian)Вонг Дж. Теория наземных транспортных средств. – М.: Машиностроение, 1982. – 284 с.Vong Dzh. [Theory of land vehicles]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1982. 284 p. (In Russian)Гончаров К.О., Макаров В.С., Беляков В.В. Влияние экскавационно-бульдозерных эффектов, возникающих при криволинейном движении колеса на сопротивление качению // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. – 2010. – Вып. 6. URL: http://technomag.edu.ru/doc/145884.html (дата обращения: 25.02.2025). EDN: MSMFRF.Goncharov K.O., Makarov V.S., Belyakov V.V. [The influence of excavation and bulldozer effects arising from curvilinear wheel motion on rolling resistance]. Nauka i obrazovanie: nauchnoe izdanie MGTU im. N.E. Baumana, 2010, iss. 6. Available at: http://technomag.edu.ru/doc/145884.html (accessed 25 February 2025). EDN: MSMFRF. (In Russian)Блохин А.Н., Зезюлин Д.В., Горелов В.А., Беляков В.В. Исследования взаимодействия пневмоколёсного движителя сверхнизкого давления со снежным полотном пути // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. – 2011. – № 8. URL: http://technomag.edu.ru/doc/214145.html (дата обращения: 25.02.2025). EDN: ODCJVP.Blokhin A.N., Zezyulin D.V., Gorelov V.A., Belyakov V.V. [Research of interaction of ultra-low pressure pneumatic wheel propulsion with snow road surface]. Nauka i obrazovanie: nauchnoe izdanie MGTU im. N.E. Baumana, 2011, no. 8. Available at: http://technomag.edu.ru/doc/214145.html (accessed 25 February 2025). EDN: ODCJVP. (In Russian)Беляков В.В., Галкин Д.А., Зайцев А.С., Зезюлин Д.В., Кудряшов Е.М., Макаров В.С. Оценка эффективности специальных транспортных средств при движении по снегу // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2012. – № 2 (95). – С. 156–166. EDN: PCYNFF.Belyakov V.V., Galkin D.A., Zaytsev A.S., Zezyulin D.V., Kudryashov E.M., Makarov V.S. [Evaluation of effectiveness of special vehicles in snow-covered terrain]. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva, 2012, no. 2 (95), pp. 156–166. EDN: PCYNFF. (In Russian)Котов В.Л. Аппроксимация напряжений в окрестности полости, расширяющейся с постоянной скоростью в среде с условием пластичности Мора– Кулона // Проблемы прочности и пластичности. – 2019. – Т. 81. – № 2. – С. 177–190. EDN: DWFXCF.Kotov V.L. [Mapproximating stresses in the vicinity of a cavity expanding at a constant velocity in a medium with the Mohr–Coulomb plasticity condition]. Problemy prochnosti i plastichnosti, 2019, vol. 81, no. 2, pp. 177–190. EDN: DWFXCF. (In Russian)Тесленко Д.С., Беляков В.В., Макаров В.С., Зезюлин Д.В. Использование метода конечных элементов для решения задач террамеханики // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2014. – № 5 (107). – С. 52–58. EDN: TOEYIF.Teslenko D.S., Belyakov V.V., Makarov V.S., Zezyulin D.V. [Using finite-element method for solving terramechanics tasks]. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva, 2014, no. 5 (107), pp. 52–58. EDN: TOEYIF. (In Russian)Беляев А.М., Васильев А.А., Жарков Е.В., Макаров В.С., Беляков В.В. Исследование движения шасси мобильного робототехнического комплекса с гусенично-модульным движителем по песчаному опорному основанию // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2020. – № 2 (129). – С. 94–106. EDN: NNQRWE.Belyaev A.M., Vasil’ev A.A., Zharkov E.V., Makarov V.S., Belyakov V.V. [Study of the movement of the chassis of a mobile robotic complex with a caterpillar- modular mover on a sandy support base]. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva, 2020, no. 2 (129), pp. 94–106. EDN: NNQRWE. (In Russian)Беляев А.М. Разработка методики расчёта и выбор параметров шасси мобильных автономных комплексов, обеспечивающих эффективность движения в береговых зонах // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2021. – № 4. – С. 63–80. DOI: 10.46960/1816210X_2021_4_63. EDN: EEJUAC.Belyaev A.M. [Development of calculation methods and selection of chassis parameters of mobile autonomous complexes that ensure the efficiency of movement in coastal zones]. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva, 2021, no. 4, pp. 63–80. DOI: 10.46960/1816-210X_2021_4_63. EDN: EEJUAC. (In Russian)Ястребов Г.Ю. Оценка тяговых возможностей колёсных машин на грунтах с низкой несущей способностью: автореферат дис. … канд. техн. наук: 05.05.03. – М.: 1990. – 18 с.Yastrebov G.Yu. [Evaluation of traction capabilities of wheeled vehicles on soils with low bearing capacity. Cand. eng. sci. abstr.]. Moscow, 1990. 18 p. (In Russian)Вольская Н.С., Басманов И.В. Моделирование взаимодействия жёсткого колеса с грунтом на основе метода дискретных элементов / Международный научный форум Наука и инновации − современные концепции: сборник научных статей, Москва, 24 августа 2023 г., т. 1; отв. ред. Д.Р. Хисматуллин. – М.: Инфинити, 2023. – 159 с.Vol’skaya N.S., Basmanov I.V. [Modeling the interaction of a rigid wheel with soil based on the discrete element method]. [International scientific forum Science and Innovations – modern concepts: collection of scientific articles, Moscow, August 24, 2023. Ed. by Khismatullin D.R.]. Moscow, Infiniti Publ., 2023. 159 p. (In Russian)Johnson K.L. et al. Surface energy and the contact of elastic solids // Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. – 1971. – V. 324 (1558). DOI: 10.1098/rspa.1971.0141.Johnson K.L. et al. Surface energy and the contact of elastic solids. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences, 1971, vol. 324 (1558). DOI: 10.1098/rspa.1971.0141.Walton O.R. (Linearized) Elastic-Plastic contact model / DEM Solutions Ltd. – Edinburgh, UK, 2006.Walton O.R. (Linearized) Elastic-Plastic contact model. DEM Solutions Ltd. Edinburgh, UK, 2006.Thakur S.C. et al. Micromechanical analysis of cohesive granular materials using the discrete element method with an adhesive elasto-plastic contact model // Granular Matter. – 2014. – No. 16 (3). – P. 383–400. DOI: 10.1007/s10035-014-0506-4.Thakur S.C. et al. Micromechanical analysis of cohesive granular materials using the discrete element method with an adhesive elasto-plastic contact model. Granular Matter, 2014, no. 16 (3), pp. 383–400. DOI: 10.1007/s10035-014-0506-4.Zieher O., Meywerk M. Investigation of tire-soilinteractions using the discrete-element-method / IV International Conference on Particle-based Methods–Fundamental sand Applications PARTICLES 2015.Zieher O., Meywerk M. Investigation of tire-soilinteractions using the discrete-element-method. IV International Conference on Particle-based Methods–Fundamental sand Applications PARTICLES 2015.Rui He et al. Review of terramechanics models and their applicability to real-time applications // Journal of Terramechanics. – 2019. – No. 81. – P. 3–22.Rui He et al. Review of terramechanics models and their applicability to real-time applications. Journal of Terramechanics, 2019, no. 81, pp. 3–22.Haiyang Zeng, Wei Xu, Mengyan Zang, Peng Yang, Xiaobing Guo. Calibration and validation of DEMFEM model parameters using upscaled particles based on physical experiments and simulations // Advanced Powder Technology. – 2020. URL: www.elsevier.com/locate/apt (дата обращения: 25.02.2025).Haiyang Zeng, Wei Xu, Mengyan Zang, Peng Yang, Xiaobing Guo. Calibration and validation of DEM‑FEM model parameters using upscaled particles based on physical experiments and simulations. Advanced Powder Technology, 2020. Available at: www.elsevier.com/locate/apt (accessed 25 February 2025).EDEM 2018.1 Documentation, DEM Solutions. – Edinburgh, 2018.EDEM 2018.1 Documentation, DEM Solutions. Edinburgh, 2018.Azhar A.T.S., Norhaliza W., Ismail B., Abdullah M.E., Zakaria M.N. Comparison of shear strength properties for undisturbed and reconstituted Parit Nipah Peat, Johor // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. – 2016. – V. 160. – No. 12058. DOI: 10.1088/1757-899X/160/1/012058.Azhar A.T.S., Norhaliza W., Ismail B., Abdullah M.E., Zakaria M.N. Comparison of shear strength properties for undisturbed and reconstituted Parit Nipah Peat, Johor. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., 2016, vol. 160, no. 12058. DOI: 10.1088/1757-899X/160/1/012058.Chen C., Li Y. An adaptive method of non-stationary variogram modeling for DEM Error Surface Simulation // Transactions in GIS. – 2012. – No. 16 (6). – P. 885–899.Chen C., Li Y. An adaptive method of non-stationary variogram modeling for DEM Error Surface Simulation. Transactions in GIS, 2012, no. 16 (6), pp. 885–899.Cole D.M., Peters J.F. A physically based approach to granular media mechanics: grainscale experiments, initial results and implications to numerical modeling // Granular Matter. – 2007. – No. 9. – P. 309–321.Cole D.M., Peters J.F. A physically based approach to granular media mechanics: grainscale experiments, initial results and implications to numerical modeling. Granular Matter, 2007, no. 9, pp. 309–321.Вольская Н.С., Басманов И.В., Левенков Я.Ю., Ястребов Г.Ю. Элементы методики прогнозирования эффективности движения колеса с помощью имитационного моделирования внешней механики // Труды НГТУ им Р.Е. Алексеева. – 2021. – № 4. – С. 81–89. DOI: 10.46960/1816-210Х_2021_4_81. EDN: SWCCSP.Vol’skaya N.S., Basmanov I.V., Levenkov Ya.Yu., Yastrebov G.Yu. [Elements of the methodology for predicting the effectiveness of wheel movement using simulation of its external mechanics]. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva, 2021, no. 4, pp. 81–89. DOI: 10.46960/1816-210Х_2021_4_81. EDN: SWCCSP. (In Russian)Трофимов В.Т., Королёв В.А., Вознесенский Е.А., Голодковская Г.А., Васильчук Ю.К., Зиангиров Р.С. Грунтоведение. – М.: Изд-во МГУ, 2005. – 1024 с.Trofimov V.T., Korolev V.A., Voznesenskiy E.A., Golodkovskaya G.A., Vasil’chuk Yu.K., Ziangirov R.S. [Soil science]. Moscow, MGU Publ., 2005. 1024 p. (In Russian)Xiuhan Chen, Sape A. Porosity calculation in discrete element modeling of sand cutting process / Miedema: conference paper, June 2013.Xiuhan Chen, Sape A. Porosity calculation in discrete element modeling of sand cutting process. Miedema, conference paper, June 2013.Robinson D.A., Friedman S.P. Observations of the effects of particle shape and particle size distribution on avalanching of granular media // Physica A. – 2002. – No. 311. – P. 97–110.Robinson D.A., Friedman S.P. Observations of the effects of particle shape and particle size distribution on avalanching of granular media. Physica A, 2002, no. 311, pp. 97–110.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.