使用 Altair EDEM™ 評估用於土壤相互作用的農業機械的輪胎設計和性能

 

拖拉機、穀物收割機和貨車等農業機械的使用往往與它們對土壤的影響有關，從而對新作物的種植產生影響。 在該主題中，輪胎起著重要作用，因為它是負責為系統提供足夠牽引力並防止土壤損壞或過度壓緊的組件。

多年來，Prometeon 輪胎集團一直使用有限元方法 (FEM) 來開發和測試貨車、公車、農用和越野輪胎。 作為 Prometeon 和 Altair 最近合作的一部分，我們能夠模擬可變形地形中的輪胎-土壤相互作用，其中軟土在市場領先的離散元方法 (DEM) 軟體 EDEM 中被建模為顆粒床。

EDEM 提供了多種選項來建立模型，即使輪胎是剛性幾何形狀，也可以根據牽引力和自清理能力等不同特性評估輪胎設計和性能。

模擬輪胎操作的一個關鍵方面是真實地模擬其與土壤的相互作用。 輪胎足跡是輪胎胎面與土壤表面接觸的部分。 因此，有必要在虛擬環境中有它的實際表現。

Prometeon 與 Altair 合作開發了一個具有代表性的土壤材料模型，最初基於從通用 EDEM 材料模型數據庫中提取的材料模型，並考慮了輪胎-土壤法向壓力下沉響應和顆粒比例來解析輪胎胎面花紋。 因此，為了重現實驗室測試，在 EDEM 中建立了對砂土載入的輪胎的模擬。 輪胎足跡幾何形狀被掃描並在電腦中重建。 我們還測量了輪胎在施加垂直力時對沙子的穿透。

 

在 EDEM 中測試輪胎載入沙土及其各自的虛擬模型

 

離散元模型對土壤顆粒的材料性質進行校準後的實驗結果顯示出良好的相關性。 儘管很難正確測量足跡尺寸，但真實模型和虛擬模型之間的差異約為 3-4 毫米。

真實（a）和虛擬（b）輪胎足跡及其比較（c和d）

 

一旦校準了土壤材料以及它與輪胎的相互作用，我們就可以繼續進行動態分析。 這些可用於觀察滾動輪胎對土壤的影響，以及這些影響如何根據輪胎的垂直載荷、縱向速度等工作條件而變化。

輪胎模擬需要同時應用運動學邊界條件（位移和速度）、力和力矩。 最初，EDEM 不允許這種設置。 為此，Altair 團隊開發了兩個 EDEM 耦合介面應用程式，分別用於應用固定角速度和固定扭矩，分別稱為“RPM Fixed”和“Torque Fixed”。 該團隊隨後在主要的 EDEM 軟體中實施了扭矩和力驅動的運動學。

RPM Fixed 解決了旋轉和平移運動之間的耦合問題：現在，如果用戶對輪胎幾何形狀應用旋轉運動，由於與土壤接觸區域中存在摩擦，它開始向前移動。

這兩個外掛程式還改善了 EDEM 動態域功能，因為它現在自動追蹤輪胎幾何運動，即使在施加力和力矩時也是如此。 EDEM 動態域是一項非常強大的功能，可以節省時間並因此降低計算成本。

隨著粒子數量的增加，DEM 的計算成本增加。 通過使用 EDEM 動態域，可以通過僅模擬綁定在動態域幾何內部的粒子來對模擬中總粒子的一小部分進行建模，從而導致模擬性能的提高而節省了時間。

 

使用動態域進行輪胎模擬

 

使用這些功能，EDEM 使用戶能夠進行廣泛的分析，例如評估輪胎打滑，甚至通過驗證作用在土壤顆粒上的壓縮力來估計輪胎在土壤中造成的影響。

作用在土壤顆粒上的壓縮力

 

關於作者

Heron Dionisio 是巴西 Prometeon 輪胎集團的一名研發工程師，他使用 FEA 和計算流體動力學 (CFD) 等電腦模擬工具開發工業輪胎及其製造工藝。

Anderson Calhabeu 是巴西 Prometeon 輪胎集團的創新協調員，負責開發開放式創新，包括用於輪胎和工業流程的新材料和計算模擬。

 

Altair 團隊的說明

“能夠與 Prometeon 團隊在這個令人興奮的 EDEM 新領域密切合作，我感到非常榮幸。 輪胎-土壤相互作用是決定許多非公路應用性能的關鍵現象。 通過與 Prometeon 團隊合作，我們能夠更多地了解輪胎製造商如何設計和測試他們的產品，並了解如何改善我們的模擬技術以更好地支援他們的需求。 這是我們將繼續擴大能力的領域，我們感謝 Prometeon 迄今為止與我們合作的所有工作和持續的支持。“

Altair EDEM 業務開發部首席工程師 David Curry

 

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