Abstract We analyze the capabilities of various recently developed techniques, namely granular Resistive Force Theory (RFT) and continuum plasticity implemented with the Material Point Method (MPM), in capturing dynamics of wheel-dry granular media interactions. We compare results to more conventionally accepted methods of modeling wheel locomotion. While RFT is an empirical force model for arbitrarily-shaped bodies moving through granular media, MPM-based continuum modeling allows the simulation of full granular flow and stress fields. RFT allows for rapid evaluation of interaction forces on arbitrary shaped intruders based on a local surface stress formulation depending on depth, orientation, and movement of surface elements. We perform forced-slip experiments for three different wheel types and three different granular materials, and results are compared with RFT, continuum modeling, and a traditional terramechanics semi-empirical method. Results show that for the range of inputs considered, RFT can be reliably used to predict rigid wheel granular media interactions with accuracy exceeding that of traditional terramechanics methodology in several circumstances. Results also indicate that plasticity-based continuum modeling provides an accurate tool for wheel-soil interaction while providing more information to study the physical processes giving rise to resistive stresses in granular media.

中文翻译：

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刚性轮与干颗粒介质相互作用的建模

摘要 我们分析了各种最近开发的技术的能力，即颗粒阻力理论 (RFT) 和使用材料点方法 (MPM) 实施的连续可塑性，在捕获轮干颗粒介质相互作用的动力学方面。我们将结果与更传统的车轮运动建模方法进行比较。虽然 RFT 是用于在颗粒介质中移动的任意形状物体的经验力模型，但基于 MPM 的连续介质建模允许模拟完整的颗粒流动和应力场。RFT 允许基于取决于深度、方向和表面元素运动的局部表面应力公式，快速评估任意形状入侵者的相互作用力。我们对三种不同的车轮类型和三种不同的颗粒材料进行了强制滑动实验，并将结果与​​ RFT、连续介质建模和传统的地形力学半经验方法进行比较。结果表明，对于所考虑的输入范围，RFT 可以可靠地用于预测刚性车轮粒状介质相互作用，其精度在几种情况下超过传统的地形力学方法。结果还表明，基于塑性的连续介质建模为车轮-土壤相互作用提供了一个准确的工具，同时提供了更多信息来研究在颗粒介质中引起电阻应力的物理过程。在多种情况下，RFT 可以可靠地用于预测刚性车轮颗粒介质相互作用，其精度超过传统的地形力学方法。结果还表明，基于塑性的连续介质建模为车轮-土壤相互作用提供了一个准确的工具，同时提供了更多信息来研究在颗粒介质中引起电阻应力的物理过程。在多种情况下，RFT 可以可靠地用于预测刚性车轮颗粒介质相互作用，其精度超过传统的地形力学方法。结果还表明，基于塑性的连续介质建模为车轮-土壤相互作用提供了一个准确的工具，同时提供了更多信息来研究在颗粒介质中引起电阻应力的物理过程。