軟土路面履帶車輛行駛性能研究綜述

常鶴鳴 ，尤小梅 ，王劍松

（沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159）

0 引言

履帶車輛在軍事、工程和農業等各個領域扮演著重要角色。這些車輛在路面的行駛性能很大程度上受到土壤特性的影響，如土壤類型、紋理、含水量和密度等因素。車輛必須能夠有效地應對各種土壤條件，以確保行駛穩定性、機動性。隨著科學和工程領域的不斷發展，研究人員一直致力于探索解決履帶車輛與土壤路面之間交互問題的辦法，有助于優化履帶車輛的設計和性能，在軍事、工程和農業等領域中具有重要意義。研究人員重點探究了履帶車輛的性能評估以及對土壤路面的離散建模，旨在更準確地預測車輛在不同土壤條件下的性能表現。

本文綜述了關于履帶車輛在土壤路面行駛性能的最新研究成果，包括土壤路面特性、履帶車輛與不同土壤的交互機制、數值模擬和實驗研究進展，旨在為改進履帶車輛性能提供有價值的見解。同時，針對當前研究領域的挑戰，展望未來可能的研究方向，期望為未來的工程項目設計提供更準確的預測和優化方法，從而更好地滿足各種實際應用需求，推動履帶車輛研發技術在軍事和民用領域的進步。

1 研究現狀

1.1 履帶車輛行駛性能研究

目前的文獻研究成果主要集中在履帶車輛的設計、行駛性能評價和動力傳動系統優化等方面。這些研究的創新之處在于深入探討了履帶車輛與地面的相互作用關系、研究了履帶車輛在特殊環境下的性能優化方案，并采用了虛擬樣機技術和仿真分析方法，從而提高了研究的效率和可靠性。

Kim 等[1]基于Terramechanics 理論和多體動力學模擬分析方法，深入研究了履帶車輛與變形地面之間的相互作用，強調了設計適應地形的履帶和選擇合適的動力源對行駛性能的重要性。Baek 等[2]研討了1g相似律在履帶-土壤相互作用物理建模中的適應性，總結出要適當考慮履帶-土壤上剪切作用的力學邊界約束，就可以將1g相似律應用于履帶-土壤相互作用的評估中。王志波等[3]對履帶車輛的附著性能進行了綜述，并提供了新的探討方法和見解。劉瑞強[4]通過評價履帶車輛的動力性能并提出自動控制規則，確定了傳動裝置內的速度范圍、排擋數和排擋劃分。楊雨川[5]提出了一種輪履復合行駛系統，并驗證了車輛通過性能和轉向性能，為水陸兩棲車輛提供了新的行駛方案。李陽[6]研究了鉸接式履帶車輛的鉸接機構，提高了車輛在特殊地形的通過性和牽引力。陳澤宇等[7]的研究不僅分析了接地長寬比對車輛行駛性能的影響，還為整車結構參數的設計提供了理論基礎。魯連軍等[8]分析了電傳動履帶車輛的轉向行駛性能及其在不同地面情況下的優勢，建立了電傳動履帶車輛模型并進行了轉向行駛性能的仿真分析，結果表明電傳動履帶車輛具有靈活性和快速性，尤其在不同地面情況下表現出明顯優勢。

1.2 土壤路面離散化研究

Shaikh 等[9]使用DEM 模擬研究了履帶板與黏土的相互作用，發現濕潤的土壤產生了最大的牽引力。Grossoni等[10]開發了一種半解析方法，計算鐵路道床在車輛通過時的塑性沉降，并使用實驗數據驗證了模型。Xu等[11]開發了一個矩陣耦合模型，考慮了車輛、軌道結構和路基的相互作用。Xu 等[12]開發了一個三維車輛-碎石軌道-基礎反應模型，并通過數值實例展示了該模型在解決土壤彈性不均勻和懸吊枕木接觸問題中的有效性。Tekeste 等[13]使用離散元法建立了土壤反作用力與推土機刀片尺度之間的關系，并驗證了DEM 模型對推土機刀片的預測力。Wang 等[14]通過DEM 模型研究了顆粒半徑對土壤和犁耙相互作用的影響，并推薦了粒徑為7 mm 的顆粒用于準確預測。Qi 等[15]通過DEM 模型研究了土壤流動的動態性質，發現顆粒在流動過程開始時最具動力性。Xu等[16]提出了一個高效準確的車輛-軌道動力學評估模型，研究了側風對車輛-軌道動力學性能的影響。

通過離散元法和多體動力學模擬，可以更準確地了解土壤顆粒之間的相互作用，這對于預測車輛在不同土壤條件下的行駛性能至關重要。然而，未來的研究需要進一步改進模型以考慮更多復雜情況，如表層土壤與深層土壤顆粒接觸模型的選擇。

1.3 車輛與土壤交互研究

現有文獻通過理論分析、試驗和仿真方法，深入研究了拖拉機、履帶車輛和輪式車輛與土壤的相互作用及其行駛性能。這些研究對于車輛設計優化、農機效率提高和特殊地形作業具有重要價值。

Kim 等[17]使用離散元法得出了在沿海地形中車輛輪胎抓地齒的最佳形狀比。為了開發考慮海岸地形特性的DEM 模型，對地形的物理和力學特性進行了實驗，并利用實驗結果對DEM 模型的參數進行了標定。Huang 等[18]提出了一種新的滲透儀，模擬水下履帶車輛的軌道土壤相互作用過程，將滲透和剪切結合成連續壓縮和扭轉。通過數值模擬和模型試驗，對可行性和有效性進行了評價。Li 等[19]使用有限元建模和數值迭代方法開發了一個模擬板式軌道土壤相互作用的變形協調過程的仿真程序。Li 等[20]提出了一種實用的工程方法，描述了土壤變形與系統性能之間的映射關系。尚莉麗[21]的研究通過理論分析和試驗確定了農田土壤的物理性能和力學性能參數，并建立了輪胎與土壤相互作用的仿真模型。研究發現，垂直載荷、滑轉率、胎壓和輪胎花紋密度是影響輪胎牽引性能的重要因素。Chen 等[22]的研究側重于分析履帶車輛的行駛性能，并對履帶底盤進行優化。在考察了履帶車輛作業環境后，發現地面主要由顆粒狀物質（如砂礫石）構成。因此，選擇了類似于砂礫石的離散元法（DEM）模型進行研究。此外，在對履帶車輛進行多體動力學（MBD）建模后，通過DEM-MBD仿真耦合對履帶車輛的行駛和轉彎性能進行了分析。劉妤等[23]針對丘陵山區作業環境影響履帶車輛的機動性能這一問題，建立了履帶車輛地面力學模型，并通過數值分析和仿真分析驗證了其準確性和可靠性。郭靜等[24]采用細觀離散元法，通過土壤參數試驗和履帶板土槽試驗，分析了履帶車輛與地面的相互作用關系，并得到了履帶車輛轉向阻力變化規律。Zhou等[25]提出了一種預測車輛—軌道—隧道—土壤系統振動的三維解析模型，并進行了實驗驗證。Baek等[26]進行了關于履帶系統在黏性土壤中的土壤推力機制的實驗研究。

研究結果強調了車輛與土壤之間的相互作用對于車輛的牽引性能至關重要。此外，研究還強調了在特殊環境下優化車輛性能和提高車輛機動性的重要性。

2 結論與展望

本文針對履帶車輛-土壤路面的交互作用，歸納了履帶車輛行駛性能、土壤離散元模型、履帶車輛-土壤路面交互的研究現狀，分析總結了車輛行駛動力學和土壤路面離散元法耦合的應用情況和改進方向。但是目前有關履帶車輛與土壤路面相互作用模型的研究，主要集中在履帶系統與土壤的動態和靜態性能方面，忽略了不均勻地形和外部環境因素對車輛性能的影響，例如，土壤在剪切破壞后形成的土堆如何影響車輛行駛性能。因此，未來的研究可以考慮從以下方面擴展：

1）顆粒接觸模型的多樣性選擇。為了更準確地模擬路況多變性，研究可以根據不同類型土壤選擇多樣的顆粒接觸模型，包括涵蓋不同土壤層次和顆粒組成的模型。這將有助于更準確地模擬真實道路情況，從而提高對車輛性能的預測精度。

2）綜合考慮外部因素的影響。研究可進一步擴展，考慮多種外部因素，如天氣條件、路面濕度、路況變化等。這些因素都可能對車輛的行駛性能產生重要影響，因此需要被納入交互模型的擴展中。

3）分析車輛不同行駛速度下土壤的剪切破壞情況。研究可深入探討不同速度下履帶與土壤的多次剪切破壞過程，以詳盡了解土壤的宏觀和微觀變形情況。這將有助于更全面地理解變形對車輛行駛性能的影響。

綜合考慮上述因素，開展車輛與路面交互作用的研究，將有助于提高履帶車輛在軟土路面上的行駛性能，從而更好地滿足不同實際應用領域的需求。