案例 | Adams-EDEM联合仿真预测软土上军事车辆的机动性
轮式和履带式车辆的多体动力学（MBD）模型已经得到验证，并用于预测车辆在硬质路面上的各种工况性能。然而，在可变形的地形上进行车辆仿真时，目前的方法还无法完全表示车辆与软土的动态相互作用。设计车辆时，工程师通常会利用其过去的物理测试经验来预测车辆离开硬质路面后的性能。 只有当车辆做出来并测试之后，才能获得有关车辆在软土上的性能的实际数据。对于许多低比率或昂贵的车辆，样机实际上也可能是最终产品，一旦进行越野测试，就需要对实际车辆进行重大修改。
准确地模拟地形力学是理解越野车辆机动特性的关键，并理解车辆和地形的变化将如何影响其动态性能。离散元模型（DEM）将土壤表示为单个粒子，它与其它粒子之间以及所遇到的任何物理对象之间都具有完全的自由运动。DEM 是一种粒子尺度数值方法，用于对颗粒材料和许多地质材料（包括煤，矿石，土壤，岩石，骨料，颗粒，片剂和粉末）的散料行为进行建模。DEM Solutions 的 EDEM® 是目前该领域领先的解决方案之一。DEM 允许颗粒分解或者与料床分离，并且可以很容易地表示不同大小和形状的颗粒。可以将不同类型的颗粒混合在一起以获得非均质的材料，或者根据需要分层。由于颗粒是三维动态作用的，因此，侧向推土效应、车轮或履带上的土壤堆积以及小丘的垂向表面特征可以很容易地用土壤模型来表示。另外，可以将颗粒压实一次或多次，以提供各种土壤条件。MBD 和 DEM 模型的集成
为了同时用单独的 DEM 土壤模型求解现有的 MBD 车辆模型，需要进行联合仿真，以允许每个求解器准确地计算车辆与土壤相互作用的动态特性（图 1）。MBD / DEM 对象的力和位移必须通过连接和管理通讯的结构化接口在每个程序之间共享。
当 MBD 模型与软土 EDEM 模型集成时，传统的车辆-路面作用力被车辆和土壤颗粒之间的相应力所代替。MBD 模型在每个积分步骤提供几何位置，然后 EDEM模型根据所采用的离散颗粒模型计算作用在设备零件上的颗粒力。然后，将每个几何体上的合力传递回 MBD模型，MBD模型在随后的动态时间步长中使用这些力。MBD 模型与 DEM 土壤模型集成的第一步是在各自领域验证每个模型。通过隔离初始验证阶段，可以独立测试每个模型，以确保特性符合期望的要求。验证MSC Adams MBD 模型之后，下一步是确定哪些几何体可能与软土接触。对于轮式车辆，这可能简单来说就是四个轮胎。相反，履带车辆将需要更多的接触几何体，包括履带片段、连接器、车轮和车体。对于每一个包含相应几何图形的 Adams 零件，都会创建一个GFORCE 元素，保存由 EDEM 土壤模型计算得出的力值。EDEM 软土颗粒必须设置好，以代表所需的 MBDEDEM 测试方案。例如，如果要求平坦的地形，则需要确定颗粒床的适当尺寸。宽度应足够大，以确保任何横向颗粒位移不会到达侧面边界，并且长度应足够长，可以执行车辆操纵。一旦EDEM 颗粒准备完毕，车辆几何体将从 Adams 模型导出，然后导入到EDEM 中。导入几何体，以便为每个对应的 Adams 零件有单个 EDEM 几何体生成。随着 Adams 和EDEM 模型准备好进行仿真，最后一步是定义一个用于模型集成的通信协议。Adams 联合仿真接口 (ACSI)是一个框架，可通过配置脚本和相应的粘合代码在 Adams 与其它软件之间提供拓扑接口。ACSI 控制联合仿真，允许异步通信以及各种内插和外推算法。ACSI 界面启动后，提供的配置文件将定义 Adams 和EDEM 模型在每个通信步骤如何共享数据。Adams 模型将提供每个 GFORCE的位置，然后EDEM 模型将位置分配给相应的 EDEM 几何体。基于此几何位移，EDEM 求解器将计算土壤颗粒的散料行为，并确定每个EDEM 几何对象上的复合颗粒力和弯矩。然后，力通过ACSI传递回去，ACSI将值分配给相应的 GFORCE 元素这些力将包含在 Adams 求解器采取的下一个动力学时间步中。
为原论文定义了两个单独的 Adams 车辆模型：轮式车辆和履带式车辆。在本文中，我们仅讨论轮式车辆。开发 EDEM 地面材料模型，并将其用于所有不同的联合仿真。HMMWV的Adams 模型 (Humvee，请参见图3)用于开发和验证。该模型先前已用于硬质路面的仿真，并使用各种测试手段验证了其性能。与 EDEM 颗粒模型的初始集成仅包括四个轮胎作为与地形的接触对象。随后，车身和某些裸 露的悬架元件也被导出，以便在联合仿真中使用。
EDEM 的用户已经进行了广泛的测试和关联，以定义与所需物理土壤的特性相匹配的颗粒。为了帮助用户得到所期望的颗粒模型，EDEM 提供了 GEMM 材料数据库用户可以基于三个输入查找预定义的材料:应用规模:坡度角;材料的堆密度。最终，EDEM 土壤入门包提供了八种开箱即用的样本材料，这些材料具有不同的可压缩性和粘性范围。图4 显示了一个双小丘地形设置，用于HMMWV 和坦克的 Adams 模型。为了创建此测试用例，将 Adams路面导入 EDEM，然后将一定量的颗粒落到路面上，这些颗粒根据材料特性形成自然的圆形小丘。然后将相同数量的颗粒在固定的偏移位置落到路面上，创建所述背景中的第二个圆形小丘，其山峰略高于第一个小丘。
Adams HMMWV 模型在各种软土地形上进行了仿真，每种情况中都使用相同的EDEM颗粒模型。第一次操纵，是 HMMWV 穿越平面颗粒床，如图 5 所示。
图 5. HMMWV 以 20kph 的速度在平坦地形上然后，HMMWV 以不同的速度翻越一个小丘，以研究穿越障碍物的能力，以及工况中所需的功率。图 6 显示了以 20kph 的速度行驶的 HMMWV，试图爬上小丘，并使前轮卡在软土中。
图 6. HMMWV 以 20kph 的速度行驶在单个小丘上高速行驶中，HMMWV到达小丘的顶峰时会在空中飞行基于这一特性，HMMWV 以不同的速度在双丘上行驶车辆以不同的速度在不同点撞击地面。如图 7所示，当以 60kph 的速度行驶时，HMMWV 刚好在第二座小丘的顶峰前着陆，其冲击力将土壤颗粒“飞溅”起来。
图 7. HMMWV 以 60kph 的速度行驶在双丘地形上下面讨论 HMMWV 模型的两个仿真结果。第一，车辆穿越平坦地形；第二，HMMWV 穿过 30％的边坡。为了使HMMWV在边坡上行驶，车辆从平坦坚硬的路面上启动，然后逐渐旋转，直到达到所需的坡度。在硬质路面终点开始软土路面。边坡上，Adams 模型的转向控制器设置为尝试保持直线。图8 展示了车辆离开硬质路面并进入料床时的行为。当转向系统对减小的牵引力作出反应时，车辆最初会滑下斜坡，并进行补偿，直到车辆恢复到所期望的直线路径。
图 8. HMMWV 以 25kph 的速度行驶在 30% 的边坡上一个重要验证步骤，是对车辆在硬质路面上的轮胎力与穿越软土时的轮胎力进行比较。图9显示了整个模拟过程中左后轮胎与地面之间的作用力。直到大约时间=1秒，HMMWV 位于硬质路面上，通过标准的 Adams当车辆过渡到Tire 子程序计算轮胎力 (以红色显示)。软土上时，Adams 轮胎力变为零，而 EDEM 颗粒力(以蓝色显示) 开始承载。在初始过渡阶段之后，车辆稳定下来，由 EDEM 颗粒计算出的接触力等于硬质路面上的轮胎力。
HMMWV 离开料床时，EDEM 颗粒力出现峰值，这是由于从软土过渡到硬质路面时的局部颗粒效应(横穿一定比例的被推到硬质路面上的颗粒)。一旦车辆返回到硬质路面，轮胎力将再次通过 Adams Tire 方法计算。HMMWV边坡操纵(从右到左的向下倾斜)，为研究车辆过渡到软土时的特性和在 EDEM 颗粒上保持直线行驶的能力，提供了机会。仿真从HMMWV 在平坦坚硬的路面上以25kph 的恒定速度行驶开始。在 3.75 秒处，硬质路面开始逐渐滚动，直到大约 5.5 秒时达到30%的边坡。车辆继续在坚硬的边坡道路上行驶直到大约 7.6 秒，此时硬质路面段结束，软土开始。EDEM 颗粒床的放置，使得硬质路面的坡度与软土相匹配:然而，如图 10 所示，车辆进入可变形地形时会出现瞬态响应。
当HMMWV的前轮进入颗粒床时,车辆最初向左侧偏航而后轮仍在硬质路面上。一旦整辆车都在软土上，它就会开始沿斜坡向下漂移，转向控制器会增加角度，使其返回到直线路线，从而导致车辆朝相反的方向偏航。仿真结束时，偏航已经稳定，转向角保持在 50 度左右，以便沿直线方向行驶。
为了验证 Adams-EDEM 的实施，提出了一种测试程序(参考文献 1)。在 Adams 多体动力学模型内部创建试验台，压力/力也在 Adams 中定义。试验台的几何体将从 Adams导出，并导入 EDEM，然后填充所需的上壤颗粒(见图11)。运行 Adams-EDEM 联合仿真，对板施加规定的力或压力，并对 Adams 仿真结果进行后处理，生成相应的 Bekker-Wong 参数。
图 11. Adams-EDEM 试验台用于土壤参数表征
B. Adams-EDEM 土壤特性与 Bekker-Wong 参数的一致性Adams 多体动力学车辆与 EDEM 离散元土壤模型联合仿真的流程，将既定程序引入到一个新的维度，以验证离散元土壤特性。整个解决方案在离散元环境中执行时，力 / 位移相互作用全部在内部计算。借助 Adams-EDEM 联合仿真，每个软件求解各自的方程，在既定的通信间隔交流位移和力。此外，车辆动力学可以在车辆和土壤颗粒之间产生快速变化的位移和力值。
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