土壤含水率对履带式底盘机动性能影响的DEM-MBD耦合仿真

摘要

【目的】揭示土壤含水率对农用履带式底盘机动性能的影响机制，明确关键性能指标的突变阈值。【方法】以通用农用履带式底盘为对象，采用离散元(Discrete element method, DEM)与多体动力学(Multi-body dynamics,MBD)耦合仿真方法，构建土壤–履带互作模型。通过堆积角试验标定土壤离散元参数，模拟履带式底盘在土壤含水率(ω)为5%、10%、15%和20%的行驶过程，分析机身速度、沉陷量、轴向偏移量、牵引力、转矩及姿态角(俯仰角、侧倾角)的动态响应。【结果】低含水率(ω≤15%)路面支撑底盘稳定行驶，平均速度0.85～0.88 m/s，变异系数≤1.09%；高含水率(ω=20%)时速度衰减至0.61 m/s，变异系数激增至7.90%，ω=15%为行驶稳定性临界阈值。ω为5%～15%时，稳态沉陷量从70 mm平缓增至150 mm；ω为15%～20%时，稳态沉陷量跃升至370mm。ω≤10%时，轴向偏移量<200 mm；ω=15%时，偏移量激增；ω=20%时因过度沉陷偏移量回落至118 mm。牵引力随含水率升高线性衰减，驱动转矩非线性增长，高含水率土壤流塑化、打滑加剧需增大转矩克服阻力。俯仰角、侧倾角随含水率呈现“扰动–平衡–再稳定”，ω=15%为姿态突变阈值，ω=20%时姿态波动收窄。【结论】本研究量化分析了土壤含水率临界阈值及底盘性能非线性响应机制，可为履带式底盘适配性设计与田间作业优化提供理论支撑。

关键词

履带底盘 / 土壤含水率 / DEM-MBD / 机动性能 / 临界阈值