林业科学

作者：姚黎阳1,朱阅1,*,王亚宁1,庞帅2

单位：1. 福建农林大学交通与土木工程学院　福州 3500022. 山东航空学院电气工程学院　滨州 256600

关键词：林用小型轮式移动平台,轮胎,有限元和离散元法,轮-壤交互作用,数值模拟,土槽试验,行驶性能

基金：国家自然科学基金项目（52102422）；福建省自然科学基金项目（2021J05025）。

目的: 提出南方林区不饱和红壤环境轮-壤耦合作用数值模型，基于该模型分析林用小型轮式移动平台轮胎尺寸参数对其行驶性能的影响，为具有高通过性能的林用小型轮式移动平台轮胎尺寸参数设计提供理论依据。方法: 以林用小型轮式移动平台车轮常用的橡胶轮胎为研究对象，通过单轴拉伸试验获得橡胶轮胎物理参数，使用有限元软件Abaqus准确建立轮胎模型；采集南方林区不饱和红壤，通过测量和三轴压缩试验获得不饱和红壤物理参数和力学特性，使用离散元软件PFC3D精确建立南方林区不饱和红壤模型。结合有限元和离散元法，创新性地提出南方林区不饱和红壤环境轮-壤耦合作用数值模型，解决单独采用有限元或离散元法分析轮胎与土壤交互作用存在的局限性问题。基于南方林区不饱和红壤环境轮-壤耦合作用数值模型，仿真分析轮胎直径（D = 65、75、85 mm）、宽度（W = 20、25、34 mm）和轮胎径宽比（D/W = 2.2、2.6、3.0、3.4、3.8）对林用小型轮式移动平台挂钩牵引力和轮胎下陷量的影响。建立与仿真分析一致的轮-壤交互土槽试验，进一步验证南方林区不饱和红壤环境轮-壤耦合作用数值模型的有效性和轮胎尺寸参数对林用小型轮式移动平台行驶性能影响分析的准确性。结果: 1） 挂钩牵引力随轮胎直径和宽度增加表现增大趋势；2） 轮胎下陷量随轮胎直径和宽度增加表现减小趋势，但达到一定范围后，轮胎直径和宽度对下陷量影响变小；3） 轮胎直径和宽度综合指标径宽比（D/W）对林用小型轮式移动平台挂钩牵引力和轮胎下陷量影响显著，其中相较仿真和试验数据而言，D/W = 2.2时产生的挂钩牵引力最大、轮胎下陷量最小，行驶性能表现最优。结论: 本研究准确建立南方林区不饱和红壤环境轮-壤耦合作用数值模型，可用于分析轮胎尺寸参数对林用小型轮式移动平台行驶性能的影响，同时也可为林用小型轮式移动平台的设计、优化和通过性能研究提供科学依据。

来源：2025年第2期

《林业科学》期刊编辑部

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