地面力學---第一章

1、工程機械地面力學與行駛理論Terramechanics is the study of soil properties, specifically the interaction of wheeled or tracked vehicles on various surfaces.第一章 緒論 1.1地面力學的研究范圍 1.2研究地面力學的意義 1.3地面力學的發(fā)展概況 1.4地面力學的研究方法 看了以上的圖片和對地面力學的解釋，你是否清楚地面力學的研究對象、研究目的、研究任務。1.1地面力學的研究范圍 地面力學（Terramechanics）是工程力學的一個分枝，這門學科主要研究機器與其工作

2、地面（土壤）之間的相互作用過程，所以又叫土壤-機器系統(tǒng)力學。所謂機器包括工程機械、農業(yè)機械、履帶式車輛和輪式車輛等等；所謂的地面包括松軟土壤和硬路面。本書主要研究工程機械（包括工作裝置）和地面的相互作用，故稱之為工程機械地面力學與行駛理論研究任務 1.用理論分析和試驗的方法揭示車輛在不同外界環(huán)境下的真實工作特性，預測車輛的牽引性能、滾動阻力及地面的承載能力 2.研究土壤的切削加工阻力，以達到改進車輛牽引性能，進行車輛參數和土壤條件的合理匹配，充分發(fā)揮車輛的工作能力這一目的。 3.根據不同土壤的物理機械特性、輪胎和履帶的力學特性以及車輛負荷和車輛總體參數之間所存在的相互關系，建立一系列理論公式、

3、純經驗或半經驗公式，來進行車輛的優(yōu)化設計和創(chuàng)造理想的行駛車輛。地面力學研究的主要內容 1.車輛和地面的相互作用-預測車輛的牽引性能和行駛阻力，為合理設計、選擇和運用車輛提供理論基礎。 2.車輛的通過性和越障能力以及土壤的承載能力 3.工作裝置和土壤的相互作用-研究土壤的切削阻力以及土壤切削機具的結構形式，以減少作業(yè)阻力和功率消耗，提高作業(yè)效率。 4.車輛的振動問題-車輛的平順性 5車輛的兩棲性能-車輛在水陸之間過渡地段上的性能。研究地面力學的意義 1.工程機械只有和地面相互作用，才能完成其功能。車輛在地面上行駛要靠土壤來支撐，要借助土壤反力來發(fā)揮推進力，還要用推進力來牽引作業(yè)機具有進行地面作業(yè)

4、，況且大多數工程機械的作業(yè)對象就是土壤，所以工程機械和地面是一個自然的統(tǒng)一體。 2.無論對國防事業(yè)還是工農業(yè)的發(fā)展都有著極其重要的現(xiàn)實意義。車輛不易通過地形復雜、土壤形狀多變的地區(qū)而大大限制了該地區(qū)國民經濟的發(fā)展。戰(zhàn)車難以逾越沼澤，海灘或者沙漠地帶而延誤了寶貴的戰(zhàn)機，拖拉機勝任不了水田作業(yè)而使水稻生產根本擺脫繁重體力勞動的落后局面等等。 3.在軍事上，車輛和機械的通過性與越野性能，更是非常重要的問題。第二次世界大戰(zhàn)期間，由于一些國家的戰(zhàn)車不適應某些作戰(zhàn)地區(qū)的土壤條件，行駛困難，貽誤了戰(zhàn)機，結果造成重大的傷亡，甚至整個作戰(zhàn)計劃遭到破壞。 4.地面力學的研究成果和提高機器工作效率、降低生產成本有密

5、切的關系。如果通過地面力學的研究，減少車輛的行駛阻力，減少工作裝置的切削阻力，解決與土壤性質的合理匹配，提高車輛的動力性和經濟性，那么其效益是相當可觀的。1.3地面力學的發(fā)展概況 1.19世紀初：1）蓋斯納爾Gerstner于1813年發(fā)表了車輪尺寸、載荷、輪轍深度與牽引力之間關系的理論研究結果。并建設車輪載荷與土壤變形間存在直線關系。 2.1875年Wust提出了車輪設計的簡化方法：胡斯塔公式 19世紀中期，由于鐵路建設的迅速發(fā)展，對降低馬車行駛阻力的研究興趣減少了，知道20世紀初，特別是19101936年，由于拖拉機的出現(xiàn)以及運輸車輛本身重量的大大增加，人們對車輛在軟土壤的行駛阻力重新給予

6、了必要的注意。 1913年德國學者R.Bernstein 研究了從動車輪的下陷問題，提出了土壤在壓力的作用下，單位面積壓力p和下陷量z之間的關系式：p=Kz0.5 （K土壤變形模數） 繼伯恩斯坦發(fā)表論文后的20年間，德國、蘇聯(lián)、意大利進行了較多的研究，不過，總的來說，對這方面的研究還是很有限的，也不普遍。30年代蘇聯(lián)學者列拖石涅夫等根據對農業(yè)機械理論的研究結果，提出采用通式來描述上述關系，即：p=Kzn （n為土壤變形指數）1944年，加拿大成立了車輛-地面力學實驗室，隨后，美國成立了陸地行駛實驗室19501952年，貝克在美國斯蒂文斯工學院講解Theory of Land Locomotio

7、n19521954年，貝克在約翰霍布金朗大學工作，在此期間，他對土壤下陷和行駛阻力的塑性問題進行了專門的研究。 19541960年，貝克在美國底特律市領到了陸地運動研究所的工作，在此6年內從事于用試驗辦法測定土壤下陷的各個參數值的工作，并致力于車輛-地面力學的基礎上進一步發(fā)展車輛地面關系的數學模型，所有這些成果都綜合在1960年出版的越野行駛一書內。 1960年，貝克離開陸上運動研究所，去美國通用公司的國防研究所工作，專門從事用于勘探月球的車輛研究工作。成功設計了適用于月球表面的車輛，后來，此登月車由阿波羅宇宙飛船送上月球。 1964年以后，利斯與黃祖永合作，對車輪作用下土壤的流動和破壞現(xiàn)象進

8、行試驗觀測研究，并于1967年發(fā)表了車輪作用下土壤破壞兩種流動區(qū)的研究結論。另外，英國劍橋大學土壤力學研究小組，遵循連續(xù)介質力學的理論，提出了飽和土的臨界狀態(tài)理論，開辟了地面力學理論研究的一個新渠道。 在日本，田中孝等人對拖拉機在水田地區(qū)的通過性問題，運用圓錐指數法的觀點進行了大量的研究工作，并建立了一系列相應的經驗公式。 1972年在瑞典的斯德哥爾摩，1975年在美國的底特律，和1978年在奧地利的維也納，先后召開了第四、第五和第六次車輛-地面力學國際會議。特別是最近，由于對越野性能的計算機模擬以及塑性理論和有限單元法等在預測輪胎與車輛性能方面的應用，使得車輛-地面力學的研究工作又大大地前進

9、了一步?？傊?，世界各國，特別是美國、加拿大、前蘇聯(lián)、日本和前西德，為了研究地面-車輛力學，不惜投入大量的人力物力，充分利用了各種最先進的理論及測試手段。月球車、高通過性水陸兩棲戰(zhàn)車和南極冰封地帶牽引車等出現(xiàn)，就是這些研究的產物。國內發(fā)展情況 早在50年代初期，我國科學工作者就認識到把土壤和機器作為一個系統(tǒng)來研究的必要性，并開始籌建室內外試驗土槽。農業(yè)系統(tǒng)的院校和科研單位，對土壤-車輛力學和土壤-耕作力學也做了多種試驗和研究，并取得了可惜的成績。 1982年，在陳秉聰教授等的提倡下，于無錫召開了“中國地面-機器系統(tǒng)研究會成立大會暨第一屆學術會議”，從而使我國地面力學的研究活動得到了更好的開展。1

10、984年于武漢，1985年于天津，1987年于南京，1988年于長春，1990年于西安，先后召開了“全國地面-機器系統(tǒng)研究會”各屆學術會議。1.4地面力學的研究方法 1.4.1純經驗方法 先用觀察和測量手段來鑒定土壤的特性，再將車輛在各種土壤上進行試驗，然后根據兩組試驗結果，找出土壤特性和車輛性能之間的關系。 美國的WES圓錐指數法（用圓錐儀先測出某種土壤的圓錐指數，然后在同種土壤上用車輛進行試驗，在連續(xù)通過50次后的車轍內再測出所需要的最小圓錐指數，兩者進行比較，就可以判斷出此車輛在該種突然上的通過性）： 1）優(yōu)點：方法簡單、快速、直觀可靠，各國目前仍在采用。 2）缺點：需要大量的試驗，且所

11、得到結果又有局限性，不能推廣到試驗范圍以外的情況上去 1.4.2半經驗法 對車輪在軟土壤上的作用進行力學分析，確定和測量合適的土壤性質參數，并推導出包括車輛和土壤參數得簡化方程式。 半經驗法目前用得最廣純經驗法與半經驗法有何不同？ 純經驗：先用觀察和測量手段來鑒定土壤的特性，再將車輛在各種土壤上進行試驗，然后根據兩組試驗結果，找出土壤特性和車輛性能之間的關系。 半經驗：對車輪在軟土壤上的作用進行力學分析，確定和測量合適的土壤性質參數，并推導出包括車輛和土壤參數得簡化方程式。其研究特點與純理論研究有所不同，不是把所有現(xiàn)象都用基本土壤力學來說明，而是比較近似地，甚至帶有經驗性地探求土壤和行走裝置的

12、相互作用關系，為設計和發(fā)展新型越野車輛提供依據和途徑1.4.3基本理論研究方法 定義：用最新的塑性理論或者有限單元法等來研究土壤與車輪的相互作用。 塑性理論：是固體力學的一個分支，它主要研究固體受力后處于塑性變形狀態(tài)時，塑性變形與外力的關系，以及物體中的應力場、應變場以及有關規(guī)律，及其相應的數值分析方法。物體受到足夠大外力的作用后，它的一部或全部變形會超出彈性范圍而進入塑性狀態(tài)，外力卸除后，變形的一部分或全部并不消失，物體不能完全恢復到原有的形態(tài)。要注意的是塑性力學考慮的永久變形只與應力和應變的歷史有關，而不隨時間變化，永久變形與時間有關的部分屬于流變學研究的范疇。 有限單元法：是一種有效解決

13、數學問題的解題方法。其基礎是變分原理和加權余量法，其基本求解思想是把計算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內，選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導數的節(jié)點值與所選用的插值函數組成的線性表達式 ，借助于變分原理或加權余量法，將微分方程離散求解。采用不同的權函數和插值函數形式，便構成不同的有限元方法。有限元方法最早應用于結構力學，后來隨著計算機的發(fā)展慢慢用于流體力學的數值模擬。1.4.4模型試驗和因次分析方法 模型試驗就是把自然物理現(xiàn)象中的一切與車輛工作過程有關的因素按一定的比例縮小，并將該現(xiàn)象搬到試驗室的土壤中來觀察和實驗，然后再將觀察和實驗得到的結果用一定的比例放大，從而得到發(fā)生于原型中的物理現(xiàn)象。 優(yōu)點：1）可以很好地控制所有的試驗參數，尤其是試驗條件，對于一些簡單基本的概念可以很快、很經濟地進行推斷。 2）易于消除或至少減輕其干擾程度 缺點：不能解決微觀局部現(xiàn)象，那就要用實物原型試驗 1.4.5電子計算機模擬方法 AMC-71地面機