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轮胎与沙地的相互作用直接影响越野车辆的行驶性能,因而研究轮胎与沙地的相互作用对于改善越野车辆沙地路面的通过性、动力性和平顺性等问题具有重要的意义。理论分析、试验研究和数值仿真方法是目前评价越野轮胎沙地行驶性能的主要手段。本文在实验室前期工作的基础上,系统地研究了基于GPU(Graphics Processing Unit)并行计算的离散元与有限元耦合方法(Discrete-finite element method,DEM-FEM),并将其应用于轮胎沙地行驶性能仿真分析。首先,鉴于越野轮胎花纹形状复杂、沙粒轮胎之间接触形式多样,提出了一种适用于处理复杂结构与散体颗粒相互作用的线性离散元与有限元接触算法—DZCell算法。该接触算法包括全局搜索与局部搜索两部分。全局搜索中,针对接触区域内的每个离散单元,直接寻找可能与其接触的有限元接触面,提高了接触算法的效率和鲁棒性。局部搜索中,考虑离散颗粒与轮胎之间所有可能的接触形式,提高了接触算法的准确性。通过相关算例,确认了本文提出的DZCell接触算法的有效性。然后,考虑到沙地模型中离散元数目庞大、且轮胎沙地性能仿真评价需要较长现象时间等问题,开发了基于GPU并行计算的离散元与有限元耦合方法。该方法利用FORTRAN 90/95编程语言和CUDA FORTRAN编程模型,将大量的计算移植到GPU上进行,实现计算的并行化以提高计算效率。基于以上计算方法,建立了基于GPU并行的充气轮胎沙地行驶性能仿真分析系统,并开发了相应的双精度显式离散元与有限元耦合计算软件—PDFP-OVS。该软件包含了串/并行离散元计算、串/并行有限元计算、串/并行离散元与有限元耦合计算以及基于PID理论的轮胎加载等功能。最后,建立了充气轮胎沙地相互作用的三维离散元与有限元耦合模型,以球形离散单元模拟沙粒,以六面体有限单元模拟充气轮胎,以离散元与有限元接触算法处理沙粒与轮胎之间的相互作用。利用PDFP-OVS仿真分析了充气轮胎沙地行驶性能,同时记录轮胎行驶过程中不同滑转率工况下的法向力、总牵引力、挂钩牵引力和轮辋下陷量等参数。通过对比仿真与试验结果、串行结果与并行结果,说明了本文建立的基于GPU并行的仿真系统是有效的,能够高效地实现越野车轮胎沙地行驶性能仿真分析。