软土路面履带车辆行驶性能研究综述

常鹤鸣 ，尤小梅 ，王剑松

（沈阳理工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110159）

0 引言

履带车辆在军事、工程和农业等各个领域扮演着重要角色。这些车辆在路面的行驶性能很大程度上受到土壤特性的影响，如土壤类型、纹理、含水量和密度等因素。车辆必须能够有效地应对各种土壤条件，以确保行驶稳定性、机动性。随着科学和工程领域的不断发展，研究人员一直致力于探索解决履带车辆与土壤路面之间交互问题的办法，有助于优化履带车辆的设计和性能，在军事、工程和农业等领域中具有重要意义。研究人员重点探究了履带车辆的性能评估以及对土壤路面的离散建模，旨在更准确地预测车辆在不同土壤条件下的性能表现。

本文综述了关于履带车辆在土壤路面行驶性能的最新研究成果，包括土壤路面特性、履带车辆与不同土壤的交互机制、数值模拟和实验研究进展，旨在为改进履带车辆性能提供有价值的见解。同时，针对当前研究领域的挑战，展望未来可能的研究方向，期望为未来的工程项目设计提供更准确的预测和优化方法，从而更好地满足各种实际应用需求，推动履带车辆研发技术在军事和民用领域的进步。

1 研究现状

1.1 履带车辆行驶性能研究

目前的文献研究成果主要集中在履带车辆的设计、行驶性能评价和动力传动系统优化等方面。这些研究的创新之处在于深入探讨了履带车辆与地面的相互作用关系、研究了履带车辆在特殊环境下的性能优化方案，并采用了虚拟样机技术和仿真分析方法，从而提高了研究的效率和可靠性。

Kim 等[1]基于Terramechanics 理论和多体动力学模拟分析方法，深入研究了履带车辆与变形地面之间的相互作用，强调了设计适应地形的履带和选择合适的动力源对行驶性能的重要性。Baek 等[2]研讨了1g相似律在履带-土壤相互作用物理建模中的适应性，总结出要适当考虑履带-土壤上剪切作用的力学边界约束，就可以将1g相似律应用于履带-土壤相互作用的评估中。王志波等[3]对履带车辆的附着性能进行了综述，并提供了新的探讨方法和见解。刘瑞强[4]通过评价履带车辆的动力性能并提出自动控制规则，确定了传动装置内的速度范围、排挡数和排挡划分。杨雨川[5]提出了一种轮履复合行驶系统，并验证了车辆通过性能和转向性能，为水陆两栖车辆提供了新的行驶方案。李阳[6]研究了铰接式履带车辆的铰接机构，提高了车辆在特殊地形的通过性和牵引力。陈泽宇等[7]的研究不仅分析了接地长宽比对车辆行驶性能的影响，还为整车结构参数的设计提供了理论基础。鲁连军等[8]分析了电传动履带车辆的转向行驶性能及其在不同地面情况下的优势，建立了电传动履带车辆模型并进行了转向行驶性能的仿真分析，结果表明电传动履带车辆具有灵活性和快速性，尤其在不同地面情况下表现出明显优势。

1.2 土壤路面离散化研究

Shaikh 等[9]使用DEM 模拟研究了履带板与黏土的相互作用，发现湿润的土壤产生了最大的牵引力。Grossoni等[10]开发了一种半解析方法，计算铁路道床在车辆通过时的塑性沉降，并使用实验数据验证了模型。Xu等[11]开发了一个矩阵耦合模型，考虑了车辆、轨道结构和路基的相互作用。Xu 等[12]开发了一个三维车辆-碎石轨道-基础反应模型，并通过数值实例展示了该模型在解决土壤弹性不均匀和悬吊枕木接触问题中的有效性。Tekeste 等[13]使用离散元法建立了土壤反作用力与推土机刀片尺度之间的关系，并验证了DEM 模型对推土机刀片的预测力。Wang 等[14]通过DEM 模型研究了颗粒半径对土壤和犁耙相互作用的影响，并推荐了粒径为7 mm 的颗粒用于准确预测。Qi 等[15]通过DEM 模型研究了土壤流动的动态性质，发现颗粒在流动过程开始时最具动力性。Xu等[16]提出了一个高效准确的车辆-轨道动力学评估模型，研究了侧风对车辆-轨道动力学性能的影响。

通过离散元法和多体动力学模拟，可以更准确地了解土壤颗粒之间的相互作用，这对于预测车辆在不同土壤条件下的行驶性能至关重要。然而，未来的研究需要进一步改进模型以考虑更多复杂情况，如表层土壤与深层土壤颗粒接触模型的选择。

1.3 车辆与土壤交互研究

现有文献通过理论分析、试验和仿真方法，深入研究了拖拉机、履带车辆和轮式车辆与土壤的相互作用及其行驶性能。这些研究对于车辆设计优化、农机效率提高和特殊地形作业具有重要价值。

Kim 等[17]使用离散元法得出了在沿海地形中车辆轮胎抓地齿的最佳形状比。为了开发考虑海岸地形特性的DEM 模型，对地形的物理和力学特性进行了实验，并利用实验结果对DEM 模型的参数进行了标定。Huang 等[18]提出了一种新的渗透仪，模拟水下履带车辆的轨道土壤相互作用过程，将渗透和剪切结合成连续压缩和扭转。通过数值模拟和模型试验，对可行性和有效性进行了评价。Li 等[19]使用有限元建模和数值迭代方法开发了一个模拟板式轨道土壤相互作用的变形协调过程的仿真程序。Li 等[20]提出了一种实用的工程方法，描述了土壤变形与系统性能之间的映射关系。尚莉丽[21]的研究通过理论分析和试验确定了农田土壤的物理性能和力学性能参数，并建立了轮胎与土壤相互作用的仿真模型。研究发现，垂直载荷、滑转率、胎压和轮胎花纹密度是影响轮胎牵引性能的重要因素。Chen 等[22]的研究侧重于分析履带车辆的行驶性能，并对履带底盘进行优化。在考察了履带车辆作业环境后，发现地面主要由颗粒状物质（如砂砾石）构成。因此，选择了类似于砂砾石的离散元法（DEM）模型进行研究。此外，在对履带车辆进行多体动力学（MBD）建模后，通过DEM-MBD仿真耦合对履带车辆的行驶和转弯性能进行了分析。刘妤等[23]针对丘陵山区作业环境影响履带车辆的机动性能这一问题，建立了履带车辆地面力学模型，并通过数值分析和仿真分析验证了其准确性和可靠性。郭静等[24]采用细观离散元法，通过土壤参数试验和履带板土槽试验，分析了履带车辆与地面的相互作用关系，并得到了履带车辆转向阻力变化规律。Zhou等[25]提出了一种预测车辆—轨道—隧道—土壤系统振动的三维解析模型，并进行了实验验证。Baek等[26]进行了关于履带系统在黏性土壤中的土壤推力机制的实验研究。

研究结果强调了车辆与土壤之间的相互作用对于车辆的牵引性能至关重要。此外，研究还强调了在特殊环境下优化车辆性能和提高车辆机动性的重要性。

2 结论与展望

本文针对履带车辆-土壤路面的交互作用，归纳了履带车辆行驶性能、土壤离散元模型、履带车辆-土壤路面交互的研究现状，分析总结了车辆行驶动力学和土壤路面离散元法耦合的应用情况和改进方向。但是目前有关履带车辆与土壤路面相互作用模型的研究，主要集中在履带系统与土壤的动态和静态性能方面，忽略了不均匀地形和外部环境因素对车辆性能的影响，例如，土壤在剪切破坏后形成的土堆如何影响车辆行驶性能。因此，未来的研究可以考虑从以下方面扩展：

1）颗粒接触模型的多样性选择。为了更准确地模拟路况多变性，研究可以根据不同类型土壤选择多样的颗粒接触模型，包括涵盖不同土壤层次和颗粒组成的模型。这将有助于更准确地模拟真实道路情况，从而提高对车辆性能的预测精度。

2）综合考虑外部因素的影响。研究可进一步扩展，考虑多种外部因素，如天气条件、路面湿度、路况变化等。这些因素都可能对车辆的行驶性能产生重要影响，因此需要被纳入交互模型的扩展中。

3）分析车辆不同行驶速度下土壤的剪切破坏情况。研究可深入探讨不同速度下履带与土壤的多次剪切破坏过程，以详尽了解土壤的宏观和微观变形情况。这将有助于更全面地理解变形对车辆行驶性能的影响。

综合考虑上述因素，开展车辆与路面交互作用的研究，将有助于提高履带车辆在软土路面上的行驶性能，从而更好地满足不同实际应用领域的需求。