越野车辆通常行驶在颗粒状的沙石路面,深入研究越野轮胎与沙石路面之间的相互作用对越野车辆的设计开发、牵引性能优化以及复杂路面通过性评估都具有重要意义。传统的有限元方法(FEM)或离散元方法(DEM),不仅不能单独有效地描述越野轮胎与沙石路面之间的相互作用问题,而且存在仿真计算耗时等问题。为此,本文采用基于GPU并行计算的离散元与有限元耦合方法(DEM-FEM)以准确及高效模拟越野轮胎在沙石路面上的行驶行为,其中越野轮胎采用有限元方法描述其连续介质特性,而沙石路面则采用离散元方法描述其散体颗粒特性。首先,针对仿真中沙石颗粒与轮胎表面接触判断问题,提出了一种高效及准确的接触检测算法,即TSC算法。该算法的全局搜索适用于轮胎-沙石相互作用的接触检测,在全局搜索阶段依据轮胎在沙石路面上运动接触特性,采用动态改变移动接触区域内的离散元从节点与有限元接触主面的方法快速确定潜在接触对。该算法的局部搜索基于内-外算法原理,将接触区域分为面接触区、边接触区以及点接触区三种类型,在局部搜索阶段依据相应的几何推理条件,可快速地从单个颗粒的多个潜在接触对中排除无效接触对以及重复接触对信息。因此,TSC算法实现了高效的全局搜索以及准确的局部搜索。采用三种数值算例验证了TSC算法在处理颗粒与复杂结构相互作用问题中的准确性及高效性,同时也证明了该算法在轮胎-沙地仿真计算中的高效性。其次,考虑到沙石颗粒与橡胶轮胎的实际作用过程,提出了一种考虑沙石颗粒形状及胎面橡胶变形影响的改进接触模型。在离散元-离散元相互作用的接触模型中,沙石颗粒之间的接触形式以面接触表达而非传统的点接触,其中接触计算包含法向力、切向力、抵抗弯矩及抵抗扭矩四部分作用。在离散元-有限元相互作用的接触模型中,沙石颗粒与胎面橡胶之间的接触形式以面接触等效表达,接触计算中除了法向力与切向力之外,还包括接触过程中橡胶变形对所接触沙石颗粒产生的抵抗弯矩及抵抗扭矩,以实现沙石颗粒与橡胶轮胎接触计算的完整、真实及准确的评估。然后,通过粗糙颗粒的沙堆仿真与试验的对比,验证了改进的离散元-离散元接触模型的有效性。与此同时,将该改进的接触模型应用于越野轮胎-卵石路面相互作用的仿真模型中,通过三轴压缩试验获取了卵石离散元模型的细观参数,并通过与室内土槽试验的对比分析验证了所提方法的有效性。最后,针对越野轮胎-沙石路面相互作用仿真计算的耗时问题,提出了一种高效的基于GPU并行计算的DEM-FEM方法并应用于模拟越野轮胎在沙石路面上的行驶行为。该方法中仿真计算的主体放在GPU上执行,并在自主开发的专用仿真分析软件TSI-GPU中编程实现。该GPU计算框架由14个Kernel函数组成,计算内容包括大规模颗粒之间的高效接触计算、颗粒与复杂胎面之间的高效接触计算、颗粒与边界墙之间的高效接触计算、有限元内力计算以及信息更新五个部分。仿真分析结果与对应土槽试验的一致性验证了该GPU并行计算方法的有效性。计算效率的分析表明,该GPU并行计算方法可以成为分析越野轮胎与大规模沙石路面相互作用的有力工具。