基于弹性迟滞理论的轮胎滚动阻力解析模型构建

为了降低轮胎滚动能量损失,该文提出一种新型轮胎滚动阻力解析模型。分析轮胎滚动阻力产生的机理,考虑材料的弹性迟滞特点,定义非线性弹性力和非线性阻尼力构建轮胎垂向复合回复力公式,搭建特定试验进行模型参数辨识。根据刷子模型将轮胎接地部分化简为两部分:一部分为接地中心到刷毛单元开始接触地面的加载区域;另一部分为接地中心到刷毛单元离开地面的卸载区域。然后分别对参数辨识得到的加载和卸载曲线在相应区域内积分并求和,获得轮胎滚动阻力矩解析模型。根据ISO 28580标准对轮胎滚动阻力进行测试,结果表明:轮胎滚动阻力随速度(10~120 km/h)和垂向负载(6~25 kN)的增大而增大;试验结果与解析值在相同的工况条件下变化趋势基本一致,从而验证了模型的有效性。新型滚动阻力模型的提出有助于轮胎的结构优化。     

设施园艺移动平台分布式驱动自适应防滑控制

针对设施园艺特殊作业场景对电驱移动平台灵活作业与高操纵稳定性需求,该研究设计了一种四轮轮毂电机独立驱动的分布式设施园艺电驱移动平台,并提出了一种可提高转向灵活性与稳定性的自适应防滑控制策略。在该控制策略中,首先构建电驱移动平台动力学模型与Ackermann差速转向模型,结合速度瞬心原理及轮胎侧偏角确定各车轮转向目标转速;其次,为提高电驱移动平台对时变附着系数的适应能力,采用改进的强跟踪自适应无迹卡尔曼滤波算法设计复杂路面识别器,实现对路面附着系数准确估计;最后,设计基于自适应滑模算法的防滑控制器,根据路面附着系数估计值确定车轮相对最佳滑转率并实时控制滑转率。为验证所提控制策略的有效性,开展了Carsim-MATLAB/Simulink联合仿真与分布式设施园艺电驱移动平台实车试验。试验结果表明,所提控制策略可准确估计复杂道路下路面附着系数,降低车轮滑转率误差;在不变路面、对接路面与对开路面3种工况下,左侧车轮滑转率误差分别为0.031、0.015和0.038,右侧车轮滑转率误差分别为0.026、0.005和0.028;在不变路边随机路面实测路况下,电驱移动平台路面附着系分别数约为0.44和0.47,最大滑转率分别约为0.69和0.68,有效抑制了轮胎转向时的过度滑转,提高了电驱移动平台的行驶稳定性。研究可为设施园艺车辆驱动防滑控制提供具体理论依据和实施方案。     

BP神经网络和SVM模型对施加生物炭土壤水分预测的适用性

生物炭作为土壤改良剂对半干旱区土壤水分有良好的吸持作用,为确定施加生物炭对土壤水分预测模型适用性的影响,依托黄土高原半干旱区固原生态站开展了小区定位试验。向土壤中施加不同种类及比例的生物炭,定期监测土壤水分含量;考虑土壤含水量的非线性特征以及生物炭对土壤水分的影响,选取BP神经网络和SVM支持向量机两种模型,建立施加生物炭土壤水分预测模型。计算预测值,并与实测值对比,分析相对误差;利用RMSE、MRE、MAE和R2评估BP神经网络和SVM模型的精度。结果表明;BP神经网络预测值的平均相对误差为3.78%,最大误差为13.14%;SVM模型的平均相对误差为0.56%,最大误差为2.42%。SVM模型的RMSE、MRE、MAE值(分别为0.34~0.17,0.07,0.56~1.27)均小于BP神经网络的(分别为1.04~1.16,0.47~0.68,3.78~4.57),且决定系数R2值SVM模型(0.96~0.99)大于BP神经网络(0.56~0.64)。BP神经网络和SVM模型均能很好地预测施加生物炭的土壤水分,但SVM模型预测结果更加稳定,精度较高,更适于施加生物炭土壤水分的预测。该研究可为半干旱地区生物炭还田土壤水分的预测及管理提供理论依据。     

胎圈结构参数对机械弹性车轮接地压力分布的影响

为了进一步掌握机械弹性车轮的接地特性,该文着重研究了胎圈结构参数对车轮接地压力分布的影响。建立了车轮胎圈曲梁模型,通过对车轮承载变形的理论分析,确定影响车轮接地特性的结构参数为胎圈断面高宽比、弹性环断面高宽比和弹性环分布位置。针对不同的胎圈结构参数,建立对应的车轮有限元模型并验证了模型有效性。利用有限元分析软件ABAQUS对其作静态接地特性仿真试验,结果表明减小胎圈断面高宽比、弹性环断面高宽比或弹性环分布系数,可不同程度地增大车轮接地长度和接地面积,并使车轮平均接地压力和接地压力偏度值减小。对比不同胎圈结构参数的车轮,其接地长度最大增加7.2%,接地面积最大增加21.6%。该文为优化机械弹性车轮的接地特性提供了参考。     

轮式拖拉机在典型路况下轮胎受力仿真分析

为了研究轮式拖拉机在典型路况下轮胎的受力情况,该文采用多体动力学软件RecurDyn进行轮式拖拉机建模,建立了包含4个车轮、前轴、后轴以及车架的简化模型,并给前轴和后轴施加合理的质量。利用RecurDyn的Fiala轮胎模块建立了轮胎与地面的相互作用模型,分别对轮式拖拉机在上20°坡、上44°极限坡、下20°坡和下34°极限坡等情况下的轮胎位移和受力进行了仿真分析,同时比较了拖拉机在两种不同车速情况下的轮胎受力。结果表明,在不同的坡度下行驶时,轮式拖拉机前轮受到的冲击力差别明显,上44°坡时受到的最大冲击力比上20°坡时增加了67.73%,下34°坡时受到的最大冲击力比下20°坡时减少了8%;在相同的路面条件下,当拖拉机以0.678 m/s过圆柱形障碍物时,前轮受到的最大作用力比在车速1.356 m/s时减小了16.13%。仿真分析结果可为轮式拖拉机轮胎受力研究提供参考。     

基于单目视觉车辆姿态角估计和逆透视变换的车距测量

针对一般的单目视觉测距方法忽略汽车在行驶过程中姿态角变化的问题,该文提出了一种基于变参数逆透视变换和道路消失点检测的单目视觉测距模型,实现了车辆在相对运动过程中的纵向距离和横向距离实时测量。首先,该文通过基于纹理方向估计的道路消失点检测算法计算出汽车运动的偏航角和俯仰角,然后运用变参数的逆透视变换和几何建模分析方法,建立车辆测距模型。对不同道路环境和测距方法的2组对比试验分析该文方法的可行性和有效性,结果表明,该文所提出的测距模型能够有效测量纵向70 m、横向4 m以内的目标车辆距离,测量误差在5%以内,且道路环境越好,误差越小,道路良好的平坦道路测距误差在3%以内;该文算法的平均处理速度达到了40帧/s。     

不同湍流模型在轴流泵性能预测中的应用

为了评价不同湍流模型在轴流泵性能预测中的精度,该文以南水北调工程轴流泵模型作为研究对象,分别选取了3种湍流模型标准k-ε湍流模型(standard k-ε)、重正化群k-ε湍流模型(renormalization group k-ε,RNG)和雷诺应力模型(reynolds stress model,RSM),基于SIMPLE算法(semi-implicit method for pressure-linked equations)和结构化网格,进行了轴流泵性能预测和全流场数值模拟,并以水利部天津同台测试的试验结果作为基准对预测扬程和效率进行了误差分析。研究结果表明,网格密度对模拟结果具有较大影响,较疏的网格导致性能预测精度降低,在大流量和小流量工况下预测的扬程和效率误差将达到3%以上;在最优工况下,Standard k-ε、RNG k-ε和RSM湍流模型的扬程预测误差分别为0.97%、1.12%和1.24%,效率预测误差分别为2.93%、2.49%和2.97%,可满足工程应用要求;但在非设计工况下,由于二次回流、空化等复杂流动的存在,内部流场复杂,3种湍流模型的扬程最大预测误差范围为9.40%～14.30%,效率最大预测误差范围为4.48%～8.30%。该结论将为轴流泵性能预测的可靠性提供依据。     

微灌石英砂过滤器反冲洗数值模拟验证与流场分析

微灌石英砂滤层的反冲洗,是实现滤料再生的有效途径,为了对反冲洗过程流场进行分析,并确定合理的反冲洗速度。该文建立了石英砂过滤器几何模型并进行了网格划分,采用Eulerian模型作为石英砂滤层反冲洗数值模拟模型,分别对石英砂当量粒径为1.06、1.2和1.5 mm的3种滤层的反冲洗过程进行了瞬态模拟,并将滤层整体压降和整体密度的模拟结果与试验结果进行对比,结果显示,整体压降的最大模拟误差为7.03%,整体密度的最大模拟误差为1.93%,说明数值模拟准确可信。在此基础上,分析了石英砂滤层反冲洗过程压降的波动规律、压降均值和压降标准偏差随反冲洗速度的变化趋势;并分析了滤层密度的分布规律、密度均值和密度标准偏差随反冲洗速度的变化趋势。根据压降波动的稳定性,结合滤层密度分布的稳定性,确定了石英砂滤层反冲洗强度的合理范围,3种滤层分别为0.0149~0.0212、0.0146~0.0218和0.0191~0.0261 m/s。该研究为石英砂滤层反冲洗过程的机理研究提供了参考,为砂过滤器反冲洗性能参数的确定提供了依据。     

土壤水氮动态及作物生长耦合EPIC-Nitrogen2D模型

为计算农业区不同作物生长条件下土壤水氮迁移转化过程,该文基于Erosion/Productivity Impact Calculator(EPIC)作物模型建立了作物根系生长子模块,将其进行有限元数值离散,与土壤氮素迁移转化模型Nitrogen2D耦合,使模型能计算作物生长条件下土壤水氮迁移转化过程。该作物生长模块可计算多种胁迫下作物根系对土壤水分和氮素的动态吸收速率,及作物收获时的生物量和吸氮量。采用武汉大学灌溉排水试验场冬小麦生长条件下土壤水氮试验数据对模型进行了率定,并用于土壤水氮分布和作物生物量预测,土壤含水率、氮素的模拟值与实测值的一致性系数分别为0.86~0.97、0.52~0.98,Nash效率系数为0.59~0.90(含水率)、0.44~0.93(土壤氮素),说明模拟结果与实测值吻合度较高。同时,分别采用该文的作物生长模块和简单根系吸收模块计算根系吸氮过程,结果显示,简单根系吸收模型会显著高估作物吸氮量,而作物生长模型则由于考虑了根系生长和各环境因子的胁迫作用,计算结果更符合作物实际吸氮过程,计算的根系吸氮量相对均方根误差为3.4%~46%。     

轮胎胎压和车速对无悬架拖拉机横向乘坐振动特性的影响

为研究轮胎胎压和行驶速度对驾驶员横向乘坐振动特性的影响,该文以两轮驱动式无悬架国产拖拉机为研究对象,建立无悬架拖拉机横向-垂向平面三自由度模型,通过仿真和试验相结合,分别获取不同轮胎胎压和行驶速度下拖拉机座椅处横向加速度功率谱密度、横向加速度均方值以及总加权加速度均方根值,并分析各自的影响规律.结果表明:拖拉机座椅处横向固有频率试验值与理论计算值的最大相对误差为4.67%,座椅处横向加速度均方根试验值随后轮胎胎压和速度的变化规律与仿真是一致的,且试验值比仿真值要小,其相对误差最大值为5.26%,误差均在可接受范围内,表明建立的理论和仿真模型是可行的;前轮胎压的变化对两轮驱动式拖拉机乘坐横向振动特性的影响不大;当轮胎胎压不变时,试验获取的拖拉机座椅处总加权加速度均方根值随行驶速度的增大而增大;当行驶速度不变时,总加权加速度均方根值随后轮胎压的增大而波浪式增大.该研究为拖拉机多维减振悬架系统的设计提供参考.     

重型多轴转向车辆轮胎原地转向阻力矩

为了解决重型多轴转向车辆转向杆系损坏的问题,针对其主要影响因素轮胎原地转向阻力矩进行试验研究。通过采用整车道路实测的试验方法,分析了车轮转角、轮胎垂直载荷、摩擦系数和轮胎气压等因素对轮胎原地转向阻力矩的影响。利用MATLAB软件对主要影响因素进行了试验数据拟合分析,给出了轮胎原地转向阻力矩经验公式,通过对同型号轮胎测试结果的分析验证,该公式的预测误差小于10%。为提高液压助力转向系统的安全性、可靠性和匹配性提供了理论和试验参考。     

内支撑安全轮胎零压工况力学特性

安全轮胎零压力学特性是提升轮胎续驶性能、实现车辆爆胎稳定性控制的基础。为研究内支撑安全轮胎的零压力学特性,通过零压工况负荷特性、侧向力学特性及接地特性试验,研究了不同负荷作用下内支撑安全轮胎的径向刚度、侧向刚度及接地特征参数的变化规律,并与额定胎压工况进行了对比。研究表明内支撑安全轮胎失压后,径向刚度表现为分段近似线性,在负荷小于负荷6 000 N时,其平均径向刚度较额定胎压工况降低了84.76%,在负荷大于拐点负荷时,其平均径向刚度较额定胎压工况增加283.34%;内支撑安全轮胎在无明显侧滑区侧向力与侧向位移近似为线性,零压侧向刚度较额定胎压工况增大9.92%,最大侧向附着力降低24.41%;当负荷达到一定数值时接地印痕面积基本保持不变,在胎肩和胎冠中心区域出现应力集中现象,胎面翘曲严重,接地压力分布均匀性变差。研究结果为掌握零压工况下内支撑安全轮胎的力学特性,进行车辆爆胎稳定性控制提供理论基础和参考。     

潮湿路面上胎面花纹对轮胎附着性能的影响

该文把轮胎的黏性滑水现象模拟为轮胎胎面单元和粗糙路面之间的挤压、动压膜问题。在平均流量模型的基础上,采用数值分析的方法,考虑了轮胎花纹的排水作用,研究了不同的胎面花纹对轮胎附着性能的影响,并对不同花纹胎面单元的压力分布等进行了深入分析。计算结果表明,在选取的几种花纹模型中交叉花纹轮胎的附着性能最好。这些结果为轮胎胎面花纹的抗湿滑设计提供了理论依据。     

四橡胶履带轮式车辆转向力学性能分析与试验

橡胶履带轮是一种能够与轮胎整体快速互换,降低接地比压、提升越野机动能力的特殊行走装置。该文以某型四橡胶履带轮式车辆转向系统为研究对象,首先通过建立断开式转向梯形机构数学模型,得到内轮、外轮转角与油缸位移关系,以及转角特性曲线;通过转向油压测试,得到两轮和四轮转向时转向油缸输出最大转向驱动力及其随左前轮转向角变化曲线。然后对履带轮在混凝土地面上转向受力分析,建立最大平均转向阻力矩数学模型,得到单轮最大平均转向阻力矩。最后提出了基于转向杆件应力应变测试分析转向阻力矩的方法,得到履带轮在混凝土地面2轮和4轮原地转向时转向阻力矩随转角变化的规律,对比分析最大总转向驱动力矩与总转向阻力矩,验证了数学模型和该分析方法的正确性。该文的研究也可对四履带轮式车辆转向系统的结构参数设计和履带轮的接地尺寸、接地比压、轮系布置研究提供参考。     

履带式联合收获机水田作业转向运动学分析与试验

为设计适于水田土壤环境的履带式联合收获机导航控制器,需准确分析履带联合收获机在水田中的运动规律。该研究在建立履带联合收获机转向运动学模型的基础上,推导了低速侧履带转向滑移率和高速侧履带转向滑转率与转向半径、转向角速度、履带卷绕速度的关系,搭建了履带联合收获机转向运动参数测试系统,采用限幅平均滤波处理转速信号,滤波窗口宽度为10个采样值时,转速信号方差减小了60.8%;采用扩展Kalman滤波器融合定位数据和IMU传感器数据记录履带式联合收获机行进轨迹和航向角,航向监测标准差比滤波前减小53.6%。田间试验表明,水田中履带式联合收获机的转向半径和转向角速度主要与前进速度和滑转率、滑移率相关,高速度侧履带滑转率随前进速度的增加而增大,变化范围为0.066～0.378,低速侧履带滑移率接近1,由于履带转向时的滑移滑转,实际转向半径大于理论转向半径,转向半径修正系数的变化范围为1.737～2.947,与前进速度呈二次函数关系;实际转向角速度小于理论转向角速度,转向角速度修正系数的变化范围为0.315～0.677,与前进速度呈幂函数关系。研究结果可为水田作业的履带式联合收获机导航控制器设计提供理论依据和参考。     

基于摩擦阻尼的高地隙农机底盘悬架减振特性

根据高地隙自走式农业机械的行驶作业要求,设计了一种包含尼龙摩擦阻尼装置的独立式立轴空气悬架系统。在此基础上,考虑空气弹簧和橡胶轮胎自身阻尼对悬架减振的影响,建立了具有粘性屈服恢复力摩擦阻尼模型的悬架系统垂向动力学模型,并基于该模型进行了仿真分析。最后,将所设计的悬架系统装配到高地隙玉米去雄机上进行实车试验。仿真和试验结果表明,随着摩擦阻尼力的增大,簧载质量和簧下质量加速度均方根值呈现先减小后增大的趋势,且在1 800 N附近时达到最小;悬架动挠度均方根值在摩擦阻尼力增大的整个过程中都持续减小。在1 800 N的摩擦阻尼力下,对仿真和试验数据进行时域和频域分析可得,簧载和簧下质量共振频率分别为1.2、10.7 Hz和1.1、11.4 Hz;加速度均方根值分别为1.874、8.953 m/s2和1.604、9.653 m/s2。结论表明,试验结果和仿真结果具有很好的一致性,所设计的悬架系统可以较好地衰减振动,具有较高的实用性。     

滩涂土壤离散元接触模型优化与现场铲削试验

为解决现有离散元接触模型对滩涂土壤特性表征准确性差的问题,该研究基于离散元仿真软件EDEM的API二次开发功能,以Hertz-Mindlin接触模型为基础,通过增加塑性、粘附特征并更改切向滑动摩擦力,得到优化后的高湿黏弹塑性（moist elasto-plastic adhesion, MEPA）模型。通过模拟活塞拔出试验,结合Plackett-Burman试验筛选出影响标定指标的显著参数,完成接触模型参数标定。搭建了铲削试验平台进行现场铲削试验,对比分析了MEPA模型、JKR模型、EEPA模型以及Bonding模型的土壤特性表征效果。试验结果表明,在铲削阻力方面,MEPA模型较JKR模型、EEPA模型和Bonding模型的仿真精度分别提升约65.957%、74.206%和59.326%;相较于现场试验结果,MEPA模型的堆积厚度与侧边距相对误差分别为5.598%和6.362%,两者均保持在10%以内,能够较好地模拟滩涂土壤,对滩涂工作装置的工况模拟和优化设计具有重要意义。     

基于横向力系数的汽车急转防侧翻车速计算模型与仿真

针对汽车转向行驶时常因车速过快而引发侧翻事故这一问题,通过建立车辆转向行驶的力学模型,分别对刚性车体和考虑悬架作用车体在急转工况下的受力状况进行分析;在分析车辆转向时横向载荷转移、悬架运动等因素对横向力系数影响的基础上,将横向力系数的计算方法进行改进;根据横向力系数与车速间的关系,建立了基于横向力系数的汽车急转工况防侧翻临界安全车速计算模型;选用某型商用车结构参数为例,通过Matlab软件仿真的方法将所建立模型与其他4种弯道安全车速计算模型进行对比分析,该模型所得临界安全车速处于其他4种车速模型所得结果的区间内;同时,采用车辆动力学软件Truck Sim进行不同转弯半径下的车辆转向侧翻仿真对该模型进行验证,模型所得安全车速值比Truck Sim软件仿真所得侧翻临界车速值约小10%。该研究为急转工况下车辆的侧翻评价以及车辆转向行驶的主动安全控制提供了参考。