高级多体动力学与离散元模拟：综合车辆与软土相互作用的仿真实例

引言

多体动力学（MBD）模型在硬质路面上已经建立起可靠的预测性能，但面对可变形地形，例如软土，目前的仿真方法仍存在精度上的挑战。传统上，工程师依赖过往物理测试数据来预测车辆在不同土壤条件下的动态性能。然而，这类测试不仅耗时且局限于已制作的样机，缺乏对软土性能的实时预测能力。为了有效地进行车辆设计优化，引进准确模拟土壤响应特性的方法显得尤为关键。

软土仿真技术：离散元模型（DEM）




离散元模型(DEM)将复杂的土壤环境细分为大量离散的颗粒，这些颗粒以全自由度进行运动，能够精确模拟土壤与物理对象间的交互作用。作为该领域的领导者，EDEM®是DEM方法的一项标志技术。它的粒子尺度数值方法适用于在多体动力学效用下研究颗粒材料的基本特性，如煤、矿石、土壤、岩石、骨料、颗粒、片剂和粉末等材料的散料行为。DEM方法的高效算法和支持颗粒混合、立体建模等功能，使得硬质到软土动态过渡模拟成为可能。

MBD与DEM模型集成

为了最大化模拟的效果，越来越受到关注的是将多体动力学仿真与离散元模型协同工作。此联合仿真允许每个类型独立计算与软土互作用的动力学特性，使用结构化的接口实现力和位移共享，以此提升车辆在软土中性能预测的准确性。

联合仿真策略


模型准备与验证

对模型进行准备和验证时，首先确保MBD模型和DEM土壤模型在各自领域内运行稳定，独立测试确保特性符合预期。Adams MBD模型的成功建立和验证后，需确定接触对象，如轮式车辆的四个轮胎，而履带式车辆则需额外接触面。

DEM颗粒场地设定

在采用SET GmbH提供的GEMM材料数据库，用户依据应用规模、坡度角和堆密度等参数，选择合适的土壤模型。对软土设置，重要考量要确保纵向长度足够，保证横向颗粒位移不至边界，以及确保活动区域足够长支持车辆操纵，从而平衡可用性和计算效率。

地形模拟与车辆导入

采用的双丘地形用于HMMWV与坦克模型，EDEM软件从Adams导入路径结构，产生自然堆砌的圆丘，并实现背景中第二个精子般的颗粒结构，两者特征上稍有差异。顾及该战略实现稳定性的设备导入逻辑，需要从Adams模型导出几何体，并成功映射到EDEM中，形成对应元素与几何模型的一一对应。

模型集成通信设定

Adams联合仿真接口(ACSI)作为关键，通过脚本和粘合代码在Adams和其他软件之间建立拓扑接口，使得每次通信步骤中Adams和EDEM模型能顺利共享位移和力。数据交换的初始化，例如Adams元素的位置传递到EDEM几何体对应处，是关键环节。

实例分析：HMMWV在软土壤下的动态特性分析


联合仿真步骤

通过两组AdamsHMMWV模型——离硬质地面启动，预先规划车辆转向，确保与随机设置的颗粒床直接接触。在实施期间，HMMWV模拟了硬质地面平滑过渡至软土场景，利用Adams与EDEM模型间的力交换，更精确地反映了下压与全部力的传递。显示了HMMWV平滑地从软土烤入框架，穿越小丘，并以一种单一规则中心性轨迹通过双丘地形。

动力学对比实验

探讨HMMWV在硬质地面与软土交互场景中轮胎力及颗粒力的变化。软土下，Adams计算的轮胎力归零，取而代之的是EDEM颗粒力。对比显示，硬土与软土之间轮胎力的差异在于EDEM模型的计算效果，缓和了软土地面的动态反应。

实施验证与路径理解和外推算法

针对AdamsEDEM集成系统的验证流程，采用贝克与孔方法(BekkerWong parameters)对模型结果进行后处理，实验结果表明模型构建了高一致性，并展示了模拟中车辆动力学行为与最终计算力的有效性。