Soil deformation on the off-load ground is significantly affected by soil conditions, such as soil type, water content, and etc. Thus, the soil characteristics should be estimated for predicting vehicle movements on the off-load conditions. The plate-sinkage test, a widely-used experimental test for...
Soil deformation on the off-load ground is significantly affected by soil conditions, such as soil type, water content, and etc. Thus, the soil characteristics should be estimated for predicting vehicle movements on the off-load conditions. The plate-sinkage test, a widely-used experimental test for predicting the wheel-soil interaction, provides the soil characteristic parameters from the relationship between soil stress and plate sinkage. In this study, soil stress under the plate-sinkage situation is calculated by the DEM (Discrete Element Method) model. We developed a virtual soil bin with DEM to obtain the vertical reaction forces under the plate pressing the soil surface. Also parametric studies to investigate effects of DEM model parameters, such as, particle density, Young's modulus, dynamic friction, rolling friction, and adhesion, on the characteristic soil parameters were performed.
Soil deformation on the off-load ground is significantly affected by soil conditions, such as soil type, water content, and etc. Thus, the soil characteristics should be estimated for predicting vehicle movements on the off-load conditions. The plate-sinkage test, a widely-used experimental test for predicting the wheel-soil interaction, provides the soil characteristic parameters from the relationship between soil stress and plate sinkage. In this study, soil stress under the plate-sinkage situation is calculated by the DEM (Discrete Element Method) model. We developed a virtual soil bin with DEM to obtain the vertical reaction forces under the plate pressing the soil surface. Also parametric studies to investigate effects of DEM model parameters, such as, particle density, Young's modulus, dynamic friction, rolling friction, and adhesion, on the characteristic soil parameters were performed.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에는 토양의 점착특성(cohesion)을 모사하기 위해서 입자간 당기는 힘인 점착력(adhesion force)을 포함해서 고려한다. 두 입자 간에 발생하는 점착력 #은 다음과 같이 정의된다.
야지차량의 주행에 지배적인 영향을 미치는 토양의 변형은 토양의 종류, 함수량 등 토양 상태에 따라 결정된다. 본 논문에서는 토양의 상태에 따라 수직하중에 따른변형을해석하기위하여 DEM을 이용하여 평판재하모델을 개발하였다. 평판재하모델의 해석결과는 토양의 표면근처에서 침하 깊이에 따라 수직반력이 증가하다가 일정 깊이 이상에서는 최대수직반력을 유지하는 현상을 보였으며, 이러한 현상은 토양의 전단변형시험에서 토양의 공극률이 증가하면서 나타나는 경향과 동일하다.
가설 설정
는 포와송비이다. 각 입자의 전단탄성계수 G는 입자의 등방성을 가정하고 후크 법칙으로부터 탄성계수 E를 이용하여 다음과 같이 계산하였다.
제안 방법
그러나 토양을 모델링 하는 경우에는 입자를 각형으로 해석하여 입자 간에 발생하는 추가적인 힘을 고려할 수 있어야 토양 내부에 발생하는 전단 응력이나 안식각 등을 모사하는 것이 가능하다. 본 연구에서는 입자를 구로 가정하여 계산 효율성을 유지하되 각형의 입자가 구름 운동을 할 때 추가로 필요한 힘을 구름마찰력이라는 형태로 변환하여 해석에 포함하였다. Fig.
토양정수와 침하지수를 결정하는 실험 중에서 일반적으로 사용되는 평판재하시험은 일정 크기 이상의 평판을 평평하게 고른 토양 샘플 위에 일정 속도로 재하시키고 평판에 발생하는 수직하중을 측정한다. 이 시험을 통해서 침하깊이에 따른 수직하중을 측정하고, 이 결과로부터 멱함수 형태의 회귀함수를 구하여 토양 정수와 침하지수를 도출한다.
본 연구에서는 DEM 해석 상용소프트웨어인 SAMADII (Metariver Inc.)를 이용하여 해석을 수행하였으며, 컴퓨터는 Dell 워크스테이션 PowerEdge R720에 장착된 4개의 NVIDIA Tesla K20 그래픽카드를 이용하여 GPU 병렬 계산 하였다. 계산 시간은 각 케이스 별로 차이가 있으나 평균적으로 약 8시간 소요되었다.
DEM 으로 가상토양을 생성하기 위하여 먼저 수분함유량이 7% 이하인 건조주문진 표준사와 유사한 상태의 토양을 모사할 수 있는 DEM 입자의 물성 파라미터와 평판과 토양입자 간의 상호작용에 관한 파라미터를 사용하였다. DEM 입자의 크기는 대상 토양의 입자크기와 상관없이 건조표준사의 거시적인 거동을 모사할 수 있는 수준이면서 효율적인 계산을 가능하게 하는 크기로 결정되었다.
DEM 입자의 크기는 대상 토양의 입자크기와 상관없이 건조표준사의 거시적인 거동을 모사할 수 있는 수준이면서 효율적인 계산을 가능하게 하는 크기로 결정되었다. 안정적인 해석을 위하여 균일한 크기의 입자의 사용을 배재하고 다양한 크기의 입자를 혼합하여 사용하였다. 입자는 2.
안정적인 해석을 위하여 균일한 크기의 입자의 사용을 배재하고 다양한 크기의 입자를 혼합하여 사용하였다. 입자는 2.5 mm~9.5 mm까지 1 mm 간격으로 8개의 지름과 10 mm의 지름을 가지는 9종을 각각 동일한 개수로 사용하여 혼합하였다. 입자의 밀도는 토양샘플의 벌크밀도를 건조주문진 표준사의 밀도인 1570 kg/m3과 일치하도록 조정하여 3274 kg/m3로 정하였다.
5 mm까지 1 mm 간격으로 8개의 지름과 10 mm의 지름을 가지는 9종을 각각 동일한 개수로 사용하여 혼합하였다. 입자의 밀도는 토양샘플의 벌크밀도를 건조주문진 표준사의 밀도인 1570 kg/m3과 일치하도록 조정하여 3274 kg/m3로 정하였다. 토양 샘플의 공극률 약 48%이다.
7에 나타냈다. 앞의 연구와 마찬가지로 동일한 형상으로 생성된 DEM 토양에 입자 탄성계수를 변화시켜서 해석한 결과를 비교하였다. Fig.
이론/모형
DEM은 입자-입자간의 충돌 및 마찰의 계산을 바탕으로 시스템의 역학적 거동을 예측하기 때문에 입자 간의 접촉을 정의하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 DEM에서 가장 안정적이고 널리 사용되는 Hertzian-Mindlin 접촉모델을 사용하였다[16,17]. Hertzian-Mindlin 접촉모델은 Fig.
성능/효과
DEM 으로 가상토양을 생성하기 위하여 먼저 수분함유량이 7% 이하인 건조주문진 표준사와 유사한 상태의 토양을 모사할 수 있는 DEM 입자의 물성 파라미터와 평판과 토양입자 간의 상호작용에 관한 파라미터를 사용하였다. DEM 입자의 크기는 대상 토양의 입자크기와 상관없이 건조표준사의 거시적인 거동을 모사할 수 있는 수준이면서 효율적인 계산을 가능하게 하는 크기로 결정되었다. 안정적인 해석을 위하여 균일한 크기의 입자의 사용을 배재하고 다양한 크기의 입자를 혼합하여 사용하였다.
6에 그려졌다. 동일한 입자 혼합 상태의 DEM 토양 입자 모델에서 입자밀도를 2000 kg/m3, 3274 kg/m3, 4000 kg/m3으로 변화시켜 가며 해석한 결과에서 최대수직응력은 순서대로 약 37 kPa, 60 kPa, 73 kPa로 나타났다. Fig.
입자밀도가 증가할수록 수직반력의 크기는 증가하는 경향을 보였다. 입자의 밀도 변화에 대한 최대 수직응력 변화는 Fig.
9(b)에 나타내었다. 점착계수를 0, 5, 10, 50으로 변화시켜가며 해석한 결과도 수직반력의 증가형태의 변화가 무시할 만큼 작았다. 따라서 구름마찰력과 점착계수는 수직반력에 미치는 영향이 작다는 것을 확인하였다.
점착계수를 0, 5, 10, 50으로 변화시켜가며 해석한 결과도 수직반력의 증가형태의 변화가 무시할 만큼 작았다. 따라서 구름마찰력과 점착계수는 수직반력에 미치는 영향이 작다는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 토양의 상태에 따라 수직하중에 따른변형을해석하기위하여 DEM을 이용하여 평판재하모델을 개발하였다. 평판재하모델의 해석결과는 토양의 표면근처에서 침하 깊이에 따라 수직반력이 증가하다가 일정 깊이 이상에서는 최대수직반력을 유지하는 현상을 보였으며, 이러한 현상은 토양의 전단변형시험에서 토양의 공극률이 증가하면서 나타나는 경향과 동일하다. 또한 DEM 파라미터에 대한 수직응력 영향 연구에서는 입자밀도의 증가에 따라 수직반력이선형적으로 증가하였으며, 입자탄성계수의 로그스케일 증가는 수직반력의 증가로 나타났다.
평판재하모델의 해석결과는 토양의 표면근처에서 침하 깊이에 따라 수직반력이 증가하다가 일정 깊이 이상에서는 최대수직반력을 유지하는 현상을 보였으며, 이러한 현상은 토양의 전단변형시험에서 토양의 공극률이 증가하면서 나타나는 경향과 동일하다. 또한 DEM 파라미터에 대한 수직응력 영향 연구에서는 입자밀도의 증가에 따라 수직반력이선형적으로 증가하였으며, 입자탄성계수의 로그스케일 증가는 수직반력의 증가로 나타났다. 또한 입자의 동마찰계수가 작을수록 수직반력의 급격한 감소가 나타났다.
또한 DEM 파라미터에 대한 수직응력 영향 연구에서는 입자밀도의 증가에 따라 수직반력이선형적으로 증가하였으며, 입자탄성계수의 로그스케일 증가는 수직반력의 증가로 나타났다. 또한 입자의 동마찰계수가 작을수록 수직반력의 급격한 감소가 나타났다. 이 외에도 입자의 구름마찰계수와 점착계수의 영향은 미미하였다.
후속연구
이 외에도 입자의 구름마찰계수와 점착계수의 영향은 미미하였다. 본 연구에서 개발된 해석모델을 이용하면 바퀴-토양 모델에 사용되는 가상토양 구성에 필요한 DEM 파라미터를 도출할 수 있어, 토양의 변형을 고려한 야지주행 차량 해석을 가능하게 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
DEM은 무엇인가?
비균질 상태인 토양의 특성을 모사할 수 있으면서도 토양의 변형과 바퀴-토양간의 상호작용을 계산할 수 있는 새로운 수치해석방법으로 개별요소법(Discrete element method, DEM)을 적용시키는 연구도 근래에 시도되고 있다[13,14]. DEM은 입자형태의 구성물질의 집합으로 시스템을 모사하고, 입자들의 충돌과 마찰 등의 상호작용에 의해 시스템의반응을계산하는방법으로, 분자동역학(Molecular dynamics, MD)과 유사한 수치해석법이다. 그러나 이 DEM으로 재현된 토양의 변형을 통해 바퀴의 운동을 재현하는 것을 목적으로 하는 연구 위주로 진행이 되어 실제 토양의 상태를 물리적으로 모사할 수 있는 DEM 파라메터에 대한 연구는 미흡한 상황이다.
FEM 방법으로 가능한 해석은 무엇인가?
최근에는 바퀴의 형상에 따른 토양의 변형을 해석하기 위하여 유한요소법(Finite element method, FEM)을이용하기도 한다[12]. FEM을 이용하면 그라우저(Grouser)와 같은 바퀴의 특이형상을 포함시키면서 토양과 바퀴 사이에 발생하는 마찰힘과 수직하중을 계산하여 토양 소성변형을 해석하는 것이 가능하다. 그러나 FEM 방법에서는 토양과 바퀴 사이에 발생하는 마찰힘을 해석하기 위하여 바퀴와 토양 접촉면에서의 슬립률을 임의로 결정해 주어야 한다는 단점이 있다.
Bekker 모델의 원리는 무엇인가?
Bekker 모델은 바퀴의 침하 깊이를 토양의 특성 계수들을 사용하여 수식으로 표현한다. 차량의 무게와 바퀴/토양의 접촉면적으로부터 토양에 가해지는 수직하중이 도출되고, 토양의 강도 등의 특성이 점착계수나 마찰계수 등의 토양 정수의 형태로 고려되어 침하량이 계산된다[5]. 토양 정수는 실험에 의해서 측정된 침하깊이-수직반력 관계에서 도출되는데, 측정시험으로는 평판재하시험이 가장 널리 사용된다[6,7]. 평판재하시험은 일정 크기 이상의 평판을 토양의 표면에서부터 일정한 속도로 침하시키면서 평판의 저면에서 발생하는 수직 응력을 측정하는 실험이다.
참고문헌 (17)
Sean Laughery, G.G. and Richard, G., 1990, Bekker's Terramechanics Model for Off-road Vehicle Research, US Army TARDEC Warren, MI 48397-5000.
Ding, L., et al, 2010, Wheel Slip-sinkage and its Prediction Model of Lunar Rover, J. Cent. South Univ. Tecjnol 17, pp.129-135.
Ding, L., et al., 2011, Experimental Study and Analysis on Driving Wheels' Performance for Planetary Exploration Rovers Moving in Deformable Soil, Journal of Terramechanics, 48(1), pp.27-45.
Wong, Y., 2008, Theory of Ground Vehicles, John Wiley & Sons Inc, Ottawa, Canada, pp.141-198
Maximilian Apfelbeck, S.K., et al., 2009, A Novel Terramechanics Testbed Setup for Planetary Rover Wheel-soil Interaction, 11th European Regional Conference of the International Society for Terrain-Vehicle Systems Bremen.
Ding, L., et al., 2014, New Perspective on Characterizing Pressure-sinkage Relationship of Terrains for Estimating Interaction Mechanics, Journal of Terramechanics, 52, pp.57-76.
Hiroaki, T., et al., 2000, Simulation of Soil Deformation and Resistance at Bar Penetration by the Distinct Element Method, Journal of Terramechanics 37, pp.41-56.
Yang, R., et al., 2011, Experimental Study and DEM Analysis on Rigid Driving Wheel's Performance for Off-road Vehicles Moving on Loose Soil, Proceedings of the 2011 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation.
L.D. Akin, 2009, Wheel-Soil Interactions, University of MARYLAND.
Junya, Y. and M.G., 2014, Observation of Interaction between a Rolling Wheel and Sand, Proceedings of the 18th International Conference of the ISTVS 2014.
Khot, L.R., et al., 2007, Experimental Validation of Distinct Element Simulation for Dynamic Wheel-soil Interaction, Journal of Terramechanics, 44(6), pp.429-437.
Hiroshi, N., et al., 2006, Concept of Virtual Soil Bin by DEM for Lunar Locomotion Studies, Copyright ASCE.
Belheine, N., et al., 2009, Numerical Simulation of Drained Triaxial Test Using 3D Discrete Element Modeling, Computers and Geotechnics, 36, pp.320-331.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.