沙地刚性轮构型仿生设计及牵引性能数值分析

为了提高车轮牵引性能,改善车辆在松散沙土介质环境的通过能力,该文以善于沙地奔跑的鸵鸟足部关键部位—足趾甲为仿生原型,通过仿生优化轮刺结构,设计出具有高牵引性能的仿生轮刺式沙地刚性轮,并以一种模拟月壤作为试验松散沙土介质材料,采用离散元软件PFC2D?的内置语言FISH和相关命令,建立了适用于非规则结构刚性轮的轮壤相互作用动态模拟系统,并获得试验验证。通过仿生轮刺式刚性轮与模拟月壤相互作用离散元模拟,并与矩形轮刺式刚性轮模拟结果对照,从轮下模拟月壤颗粒细观运动、接触力场、速度场以及车轮挂钩牵引力角度,验证了仿生轮刺式刚性轮具有优越的牵引性能,在车轮滑转率50%的稳定运行状态下,仿生轮刺式刚性轮的牵引性能可提高5.2%左右。该研究为提高刚性轮在松散沙土介质环境中的牵引性能提供了全新设计和研究手段。     

鸵鸟足底非规则曲面形貌数学模型构建

鸵鸟足底曲面形貌是影响鸵鸟足优越越沙性能的关键因素之一,研究鸵鸟足底曲面特征将有助于将其这一优越特性应用到越沙车轮上,以改善目前常规越沙车轮在松软地面上通过性低的难题。该文选取健康成年鸵鸟足,经过三维激光扫描仪扫描得到鸵鸟足的点云数据,并导入Geomagic Studio软件中进行封装、表面处理,最后把鸵鸟足第Ⅲ趾底曲面划分为3个典型区域：前掌缓曲面、中间凹槽面和足跟凸冠面。利用Catia软件中的Digitized Shape Editor模块,对3个典型曲面的密集点云选取合理的过滤方式过滤,保留典型曲面形貌的特征点,并导出3个典型区域特征点云三维数据。运用Matlab软件中的surface fitting自动拟合功能,拟合前掌缓曲面和中间凹槽面的2个曲面,分别得到2个曲面的拟合方程和决定系数R2;基于足跟凸冠面外形类似于一个典型椭球面,利用SAS软件中非线性回归模块以椭球面模型进行曲面拟合。从拟合结果可以看出,3个曲面的决定系数R2分别为0.95、0.96、0.95,实现了鸵鸟足底曲面由生物模型到数学模型的转化。该研究为将鸵鸟足底曲面形貌进行工程仿生学应用奠定了理论基础,并为利用工程仿生学技术研究松软路面行驶车辆提供研究方向和参考依据。