土壤与粗糙刚体相互作用的二维离散元多体耦合动力学建模

作     者：丁宁 刘锦阳 刘才山 Ning Ding;Jinyang Liu;Caishan Liu

作者机构：Department of Engineering MechanicsSchool of Naval ArchitectureOcean and Civil EngineeringShanghai Jiao Tong UniversityShanghai200240China State Key Laboratory of Turbulence and Complex SystemCollege of EngineeringPeking UniversityBeijing100871China 

出 版 物：《Acta Mechanica Sinica》 (力学学报（英文版）)

年 卷 期：2022年第38卷第7期

页      面：148-163,I0004页

核心收录：

学科分类：09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0802[工学-机械工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：supported by the Key Program of National Natural Science Foundation of China(Grant No.11932001) the General Program of National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11772186 and 11772188) for which the authors are grateful.This research was also supported by the Key Laboratory of Hydrodynamics(Ministry of Education). 

主　　题：前进速度 离散单元 笛卡儿 重力加速度 二维离散元 多体系统 抓地力 多体动力学 

摘      要：土壤与刚体系统相互作用的研究是世界各国探索月球和火星的一项重要工作.为了研究干沙土的力学性质,离散单元法(DEM)是一种比较精确的模拟方法.但它不适用于相互接触、因约束而连接或因几何结构而具有复杂惯性特性的物体.为解决这一问题,文章提出一种二维离散元多体动力学建模方法,该方法考虑了颗粒球与包括光滑刚体和粗糙刚体在内的多体系统之间的接触和摩擦.在这项工作中,土壤场采用二维DEM建模,约束刚体系统的动力学采用笛卡儿方法建模.针对球形离散单元和粗糙刚体之间的相互作用提出一种检测算法.此耦合方法的优点是能够同时捕获两个响应.最后通过三球碰撞和矩形杆与三球碰撞的仿真实验,验证了程序的正确性.在此基础上,对齿轮在颗粒物中的运动进行了分析,结果表明,六齿30°倾角的齿轮具有最快的前进速度.在地外物体中,车轮抓地力变差,但随着重力加速度和车轮载荷的减小,前进速度先增大后减小,这证明了耦合二维DEM和多体动力学程序在解决工程问题中的有效性.