月壤力学性质对月球车牵引性能影响的模拟

采用离散元软件PFC2D,对月球车驱动轮在不同力学性质月壤上的牵引通过特性进行了数值模拟.研究采用线性接触刚度模型,通过双轴试验反复调整颗粒细观参数建立月壤离散元模型,其物理力学性质与真实月壤相似.在相同试验条件下,模拟试验与土槽试验结果趋势一致;模拟试验结果表明,挂钩牵引力随颗粒间摩擦因数增加而增加,当摩擦因数在1左右时增加趋于平缓;挂钩牵引力随孔隙率增加而线性减少;挂钩牵引力随粒径分布(rmax/rmin)增加先增加,当粒径分布大于5后减小,挂钩牵引力随重力加速度增加而增加,在1/6地球重力条件下,滑转率20%时,驱动轮的挂钩牵引力约为地球重力时的77.3%.     

基于相似理论的月球车坡面通过性能试验

基于相似理论开展月球车轮壤相互作用系统参数量纲分析,分别以模拟月壤内聚力和密度参数不变为约束条件,推导了轮壤系统参数比例尺。采用轻质量模型样车法当量月面低重力环境影响,设计1/2比例月球模型样车;以速度和坡度为试验因素,开展月球车坡面通过性试验;分析了试验因素对各车轮滑转率和沉陷量的影响规律;讨论了不同坡度条件下驱动扭矩、挂钩牵引力和牵引系数随滑转率的变化规律。结果表明,坡度对通过性的影响明显较速度的大;随着滑转率的增加,驱动扭矩和挂钩牵引力呈现增加趋势,最大值分别为3.6 N·m和10.5 N;牵引系数呈现先增加后减小趋势,在滑转率为21.6%时达到最大值0.18。为保障月球车安全可靠的通过性能,其巡视坡度在20°以内合理。     

适用于松软地面的可变形轮牵引特性分析

为解决常规地面车辆及传统车轮在水田、沙地等松软地面作业时存在的通过性差、效率低、能耗大甚至无法行驶的问题,设计了适用于松软地面的可变形轮。该车轮由变形机构、变形驱动机构和轮胎块组成,它能在有轮缘和无轮缘2种轮态间转换,实现步行和连续行走。基于Bekker模型的经典地面力学理论,分别建立了可变形轮步行及合拢状态时与3种典型松软土壤作用关系的力学简化模型,使用软件计算并对比分析了可变形轮2种工作轮态的挂钩牵引力、驱动力矩和牵引效率等随滑转率的变化关系及车轮接近角与沉陷量关系。计算结果表明车轮的挂钩牵引力、驱动力矩和牵引效率等均受到车轮滑转率及软土特性参数的制约,其中挂钩牵引力和驱动力矩随车轮滑转率的增大而增大,步行轮的挂钩牵引力和驱动力矩最大为3990N和2395N·m,合拢轮最大为1435N和1390N·m。在车轮半径一定时,牵引效率随滑转率的增大表现为先剧增到最大后缓降至零。步行轮和合拢轮的最大牵引效率分别为0.53和0.19,对应的滑转率范围分别为0.1~0.2及0.2~0.3。可看出松软路面上可变形轮步行轮比合拢轮能产生更大的挂钩牵引力、驱动力矩、牵引效率和更小的沉陷量,更有利于提高车轮的软土牵引通过性。最后对可变形轮进行了样机试制,并安装在基于沉浮结合式工作原理设计的水陆两栖全地形车上进行相关牵引力测试试验。当滑转率大于0.52和0.44时,步行轮和合拢轮分别出现驱动力不足的现象,记录相应的6个数据。试验结果与计算结果相差不超过10%,证明计算结果的正确性及可变形轮在松软地面的适用性。     

基于地面力学的筛网轮牵引通过性研究

筛网轮具有质量轻、转向阻力小等优点,但其在松软干沙路面上的牵引通过性研究比较少。本文设计了轻型轮壤土槽测试系统,以车轮沉陷量、驱动扭矩、挂钩牵引力和牵引系数为指标,在土壤松散和自然状态下进行筛网轮和圆柱轮牵引通过性对比试验,基于轮辙非接触测量获取筛网轮表观沉陷量。结果表明：试验条件下,筛网轮实际沉陷量范围分别为13.1~26.3mm（松散状态）和8.1~18.7mm（自然状态）,较圆柱轮平均分别增加了26.4%（松散状态）和22.7%（自然状态）;随着滑转率的增加,筛网轮表观沉陷量呈现减小趋势,圆柱轮则呈现先增加后减小趋势。车轮驱动扭矩、挂钩牵引力随着滑转率的增加而增加,牵引系数呈现先增加后减小趋势;筛网轮驱动扭矩最大值分别为3.18N·m（松散状态）和3.76N〖DK〗·m（自然状态）,筛网轮挂钩牵引力最大值分别为8.46N（松散状态）和9.9N（自然状态）,自然状态土壤较松散状态时挂钩牵引力平均提高了16.7%;与筛网轮相比,圆柱轮驱动扭矩较筛网轮平均提高了45.2%,挂钩牵引力则平均提高了30.9%（松散状态）和33.6%（自然状态）;筛网轮牵引系数明显较圆柱轮大,自然状态下筛网轮牵引系数最大值为0.29,较松散状态下提高了17.9%。综合考虑车轮沉陷量、牵引系数的影响,筛网轮在干沙路面上比圆柱轮具有更好的牵引通过性。     

火星巡视器鼓形车轮仿生设计与性能分析

以善于沙地奔跑的鸵鸟的二趾足为仿生原型,利用工程仿生学原理,设计一种高通过性的仿生越沙鼓形轮面车轮。以与火星壤近似的松软沙土为试验材料,利用车轮-土壤土槽测试系统,以轮辙、挂钩牵引力和沉陷量为试验指标,对仿生鼓形轮面车轮和普通轮面车轮的通过性能进行了对比分析。结果表明,当滑转率超过0.85时,普通鼓形轮面比仿生鼓形轮面轮辙的堆积现象明显,并且出现明显打滑空转现象。在相同试验条件下,当滑转率小于0.42时,普通鼓形轮面车轮的挂钩牵引力稍大于仿生鼓形轮面车轮,当滑转率大于0.42时,仿生鼓形轮面车轮的挂钩牵引力明显大于普通鼓形轮面车轮。仿生鼓形轮面车轮和普通鼓形轮面车轮的最大挂钩牵引力分别为11.6N和2.6 N。滑转率对于普通鼓形轮面车轮的沉陷量影响较小,沉陷量基本保持在约35 mm,而随着滑转率的增大,仿生鼓形轮面车轮沉陷量呈现缓慢增大趋势。     

自适应低振动步行轮仿生设计与性能分析

为提高具有高通过性的步行轮平顺性,基于鸵鸟足运动姿态与跖趾关节储能减振机理,运用工程仿生学原理与技术,设计了一种仿生自适应低振动步行轮。有限元数值模拟结果表明,轮上载荷30 N,角速度10(°)/s情况下,相比于传统步行轮,仿生步行轮轮心波动范围在软路面和硬路面分别降低了85.71%和93.33%。采用轻载荷月壤/车轮土槽测试系统验证了仿生步行轮的减振性能。当滑转率小于40%时,仿生步行轮的挂钩牵引力均大于传统步行轮;当滑转率大于40%,且仅在角速度为20(°)/s时,仿生步行轮的挂钩牵引力才小于传统步行轮,表明仿生步行轮在松软地面具有较好的牵引通过性。同时,相比于传统步行轮,当角速度为30(°)/s时,仿生步行轮在软路面和硬路面的加速度分别减少了6.3%和15.8%,振幅分别减小了14.6%和9.6%。在保证松软地面优越牵引通过性能前提下,仿生步行轮比传统步行轮的轮心波动更小,振动明显降低,有效解决了步行轮多边形效应引起的振动问题。     

车辆转向时牵引力控制系统前轮滑转率算法

车辆转向时.用后轮轮速作为参考车速计算驱动轮滑转率会造成计算偏差,造成牵引力控制系统的误干涉.为此利用前轮参考轮速计算转弯时的前驱动轮滑转率.并提出了利用横摆角速度信号的直接开方法以及利用前轮转角信号的前轮转角补偿法进行滑转率计算.试验表明2种算法都有效,前者运算时间为0.8 ms,后者运算时间为0.3 ms,因而选用后者.利用该算法修正后牵引力控制系统没有出现误干涉.     

基于松软路面的滑转率对拖拉机性能的影响

松软路面上拖拉机车轮滑转比较突出,对拖拉机使用性能有很大影响。滑转率对拖拉机性能的影响主要表现在对牵引力、牵引效率等方面。为此,就车轮滑转对拖拉机牵引力和牵引效率的影响进行了分析,推出了含有负荷系数和滑转率两个变量的拖拉机牵引效率的计算公式,为松软路面上拖拉机滑转率的控制提供了一些理论原则。     

基于SPH法的植保机高花纹轮牵引性能研究

植保机存在水稻田土壤时行走困难,牵引性能差等问题,以植保机高花纹驱动轮为研究对象,基于SPH(光滑流体粒子动力学法)建立植保机驱动轮-土壤有限元模型,以植保机高花纹轮结构参数中花纹深度,花纹倾斜角及花纹宽度为三个因素,以挂钩牵引力和牵引效率为牵引性能指标,利用ANSYS显式动力学求解模块LS-DYNA对驱动轮在水稻田土间行走进行仿真分析,通过正交试验法分析各因素对驱动轮土壤间行走牵引性能的影响规律,经过多目标优化,花纹深度50 mm、花纹倾斜角为80°、花纹宽度121.87 mm时可以获得最优的牵引性能,较原始值挂钩牵引力提高249 N,牵引效率提高15.51%,该结果为后期的驱动轮结构设计优化提供参考。     

沙地车轮牵引通过性分析

装用普通充气弹性轮胎的轮式车辆在沙地上行驶时,由于车轮滑转下陷,使车辆难以通过。开发新的车辆行走机构对提高沙漠车辆通过性至关重要。本文采用试验分析方法,研究了车轮在沙地上的牵引通过性,探索了约束沙土流动和改变车轮与沙地作用方式对牵引通过性的影响,指出了提高车轮在沙地上牵引通过性的有效途径,为开发轮式沙漠车辆提供了依据。     

基于Vortex的月球车仿真技术

为实现对月球车各种运动工况的性能仿真评估,基于Pro/E二次开发技术,将三维地形和车体模型直接生成定制的SQlite数据库模型,基于Vortex物理引擎相关函数,建立月球车车体动力学模型,并采用OSG图形引擎可视化对象;在轮壤台架试验基础上,对Vortex内建的轮壤作用模型进行模型的评估及修模,确保模型的正确性;基于MFC多文档框架,实现响应中断、事件回调及仿真数据再现等前后处理功能,构建了三维可视化的仿真分析软件.     

月壤采样试验验证机构运动性能研究

为开展月壤采样试验,设计了一种可以实现姿态调整的3自由度并联机构,根据机构运动特点,采用修正的KG(Kutzbach-Grübler)公式计算机构的自由度,利用封闭矢量法求解该机构位置逆解,并建立机构速度、加速度和可操作度性能评价指标。提出一种基于速度性能与可操作度性能为目标,采用多目标遗传算法优化机构结构参数,对优化后的结构参数进行分析,得到该机构工作空间、速度性能、奇异性和可操作度性能。研究表明:动平台姿态α、β在-0.35~0.35 rad时,机构速度性能最好;可操作度性能指标均在[4,5]区间范围内,不会产生奇异位形,有较好的可操作性能,验证该机构能够满足月壤采样试验功能要求,对开展月壤采样试验验证具有一定的实用价值。     

月壤钻采取样方式对样品层理的影响

针对月壤钻采任务,基于离散元月壤模型,分析了硬质管取芯与软袋取芯2种取样方式的层理保持特性,提出了曲面斜率法描述月壤样品的层理信息。该方法能够通过拟合曲面直观反映随钻深分布的各层月壤样品变形情况,并能够定量描述各层样品轻微扰动部分与层理破坏部分的分界范围,以及层理破坏趋势与程度。分析结果表明:取样袋能显著保护样品的层理信息,而硬质管取芯对外侧月壤样品层理破坏严重,且破坏层数较多,但层理破坏较轻微的样品直径范围与有取样袋工况差别不大。此外,2种工况下,表层月壤样品层理信息均破坏严重,说明了表层月壤具有较强的随动性。