Метод валидации деформационных свойств несвязного грунта в контактной задаче «колесо–грунт»

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. 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. 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.

1. Бабков В.Ф., Бируля А.К., Сиденко В.М. Проходимость колёсных машин по грунту. – М.: Автотрансиздат, 1959. – 189 с.

2. Беккер М.Г. Введение в теорию местность–машина / под ред. В.В. Гуськова. – М.: Машиностроение, 1973. – 520 с.

3. Вонг Дж. Теория наземных транспортных средств. – М.: Машиностроение, 1982. – 284 с.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Walton O.R. (Linearized) Elastic-Plastic contact model / DEM Solutions Ltd. – Edinburgh, UK, 2006.

15. 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.

16. 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.

17. Rui He et al. Review of terramechanics models and their applicability to real-time applications // Journal of Terramechanics. – 2019. – No. 81. – P. 3–22.

18. 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).

19. EDEM 2018.1 Documentation, DEM Solutions. – Edinburgh, 2018.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. Xiuhan Chen, Sape A. Porosity calculation in discrete element modeling of sand cutting process / Miedema: conference paper, June 2013.

26. 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.