中文摘要：

以行驶在湿软地面上的自走式轮式农业车辆所形成的振动激励的表达形式为研究对象，利用非接触式激光不平度测试装置，测量地表原始不平度，应用分形迭代与分形插值，构建三维地面谱模型；利用扫描电镜对采样的土壤断面切片图像进行灰度与二值化处理，借助图像处理工具Imagetools软件，根据频率分布规律计算切片上孔隙轮廓的分形维数，建立孔隙度分型模型；通过建立土壤表层孔隙度与载荷下土壤应变的关系，揭示车辆-地面相互耦合压实作用规律；从测量得到的三维地面谱中选择有效尺度下的土壤表面微凸体面元，分析微凸体面元的弹塑性变形规律，建立土壤表面的微凸体尺寸、强度与载荷下应变的关系，揭示车辆-地面相互耦合平滑包络作用规律；由此建立包含车辆轮胎参数、原始地面形貌、以及土壤物理和机械参数在内的有效不平度的新概念和模型作为表征车辆振动激励的表达形式，建立有效不平度预测模型并仿真校验，为轮式农业车辆设计提供农业土壤的有效谱。

结论摘要：

本项目以行驶在耕作地表上的轮式农用车辆为研究对象，针对有效不平度形成的机理、轮胎与地面的相互作用展开了研究。（1）原始地表不平度的测量与分析。自主设计并制作了非接触式激光不平度测试装置，测量了犁耕、耙地等地表的原始不平度，采用均方根法、曲面投影覆盖法和曲线结构函数法对原始地表不平度进行了分形特征分析，结果表明使用均方根法表征耕作地表不平度能获得较高的精度且无标度区间稳定；犁地后地表分形维数大于耙地后地表。（2）原始地表的重构与分析。应用随机中点位移法和迭代函数法，进行了地表的分形插值，构建了原始地表的三维地面谱模型，结果表明重构的地表细节丰富、真实、自然，对于犁耕土壤地表在低于80%的剔除率条件下能较好保持土壤表面细微复杂结构，并较好地保持原始地表数据的统计特征；采用随机中点位移三维分形插值方法，一次和二次重构后的地表在分形计盒维数、平均值及峰度系数方面与原始地表之间的误差保持在5%以内，在计算速度和数据获得上优于迭代函数法。（3）轮胎-土壤接触模型的建立。基于ABAQUS，建立了轮胎与土壤接触的三维有限元分析模型，在轮胎与土壤接触状态下，轮胎的变形应力和土壤的下陷量进行了数值模拟计算。结果表明当轮胎径向变形值较小时，接触表面为双凹型，压力分布呈抛物线型；当轮胎相对径向变形值大于一定值时（8%-10%），中间接触区形状趋平，但压力分布仍为抛物线型；当轮胎的径向变形很大时（＞20%），外胎会向相反方向挠曲，而中间接触区的接触表面变成曲率相反的凸形，压力分布由抛物线型转为鞍型。（4）轮胎与土壤耦合动力学试验台的研制与测量。自主研制了一种单轮-土槽试验台，利用电机提供车轮驱动力和拖拽阻力，通过变频器实现对驱动力、行驶速度、行驶方向和滑转率等参数控制；采用垂直导杆和直线轴承组合设计，实现了车轮在垂直方向自由运动，有效模拟车轮的沉陷量；提出了一种双卡轮设计，有效的减少驱动机构行驶阻力，减缓行驶时垂直方向的振动。在验台上，进行了轮胎与软土地面接触的胎压、载荷、滑转率和行驶速度四个因素三水平正交试验，分析了牵引力、驱动力、总阻力和沉陷量等农用车辆性能的影响，得出了轮胎与土壤接触区域的横向应力呈W形分布规律，分析了土壤应力分布、接触印痕面积以及应力应变对有效不平度的影响。本项目的研究成果对研究农用车辆平顺性、通过性及附着性能具有重要的理论价值和应用意义。