【摘要】：火星表面除了覆蓋有松散的火星土壤外,遍布裸露的礫石和石塊,這對金屬材質(zhì)火星車車輪的耐久性提出嚴(yán)峻的考驗。因此,在約束質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和材料的前提下,對火星車車輪輪面及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,從而提高其耐久性對巡視探測至關(guān)重要。本文的主要研究內(nèi)容如下:仿生原型的選擇及仿生輪面的設(shè)計。本文選取了自然界中具有優(yōu)良耐磨特性的四種生物(蜣螂、櫛孔扇貝瓣、蛤蜊瓣和穿山甲鱗片)作為仿生原型,將其表面的凹坑形、棱紋形、凸包形和鱗片形結(jié)構(gòu)應(yīng)用到火星車車輪的優(yōu)化設(shè)計中。仿生輪面的耐久性試驗研究。建立了耐久性試驗臺,研究四種仿生輪面的耐磨損特性。試驗共分三步進(jìn)行,結(jié)果表明,在相同的試驗條件下,與原型輪相比,凹坑形和棱紋形不具有耐磨特性。在磨料為石英砂時,與原型輪相比,凸包形具有最優(yōu)的耐磨及減阻特性,單位時間內(nèi)的磨損量和能耗分別降低了46%和16%;在磨料中增加石塊后,與原型輪相比,凸包形和鱗片形單位時間內(nèi)的磨損量分別降低了60%和67.5%,能耗略微降低。仿生輪面的離散元分析。為了優(yōu)化仿生結(jié)構(gòu),尋求最佳仿生單元形式,建立了車輪-火壤耐久性離散元仿真模型,進(jìn)行了離散元3D仿真分析。結(jié)果表明:凸包形及鱗片形輪面相較于原型輪,在質(zhì)量增加5.4%和17%的條件下,輪面切向累積力分別降低了70%和40%,耐久性提高顯著。凹坑形和棱紋形輪面相較于原型輪,輪面切向累積力平均增加了50%以上,沒有達(dá)到預(yù)期效果。鱗片形結(jié)構(gòu)的正交優(yōu)化。考慮到鱗片形結(jié)構(gòu)的整體性,只改變鱗片的比例和高度作為優(yōu)化的因素。設(shè)計了九種鱗片形結(jié)構(gòu)形式,最終通過切向累積力對比和云圖分析,得出當(dāng)鱗片比例為原結(jié)構(gòu)的1.4倍、高度為1mm時具有最優(yōu)的耐久性。耐久性試驗和仿真分析共同表明:在約束質(zhì)量條件下,通過仿生優(yōu)化車輪輪面可提高車輪的耐久性,離散元仿真分析可為仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)參考。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V476.4;Q811
【圖文】：

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文（The ModularEquipment Transporter）[9]，該車由宇航員人力驅(qū)動，用于運輸設(shè)備和月巖月壤試樣[10]�；鹦擒嚨哪湍栴}主要表現(xiàn)在好奇號的車輪上，如圖 1.1（a）為磨損前的好奇號車輪結(jié)構(gòu)：車輪直徑為 510mm（20in，帶輪刺），輪刺高度 7.5mm，沿輪面每隔 15°分布 1 個輪刺，且輪刺呈 V 字形，以防止側(cè)滑；車輪寬度為400mm；輪面厚度為 0.75mm，材料為陽極電鍍鋁。好奇號之所以采用如此薄的輪面結(jié)構(gòu)，原因之一是為了使得車輪具有彈性，從而降低車輪通過石塊和不平路面的振動。較薄的輪面和彈性的輪輻使得好奇號車輪具有優(yōu)良的彈性緩沖性能。但較薄的輪面會不可避免的導(dǎo)致其耐磨和抗穿透性能減低，從而減少使用壽命。圖 1.1（b）為截止到 2016.04.16 日，磨損的好奇號左前輪情況，輪面具有較大的破洞，并且在輪面上存在由石塊撞擊而產(chǎn)生的凹坑，這些凹坑將增大車輪被穿透、破裂甚至損壞的可能。

(a) 載人 LRV (b) 金屬絲編織輪 (c) MET 圖 1.6 美國月面巡視車輛及其車輪Lunokhod-1 是第一臺成功登陸月球的無人探測車，車輪采用網(wǎng)鈦合金輻條和傾斜履刺結(jié)構(gòu)，如圖 1.7（a）[11]。該車輪適合于在沙運動，輻條和彈性篩網(wǎng)能起到一定的吸震功能，但是吸收振動的能力我國的玉兔號月球車，如圖 1.8（b）所示，采用的是與蘇聯(lián)類篩網(wǎng)輪結(jié)構(gòu)，如圖 1.9（c）。篩網(wǎng)輪的優(yōu)點在于質(zhì)量輕，并且篩網(wǎng)附著月壤的清除，并且輪刺結(jié)構(gòu)可以增大牽引力，缺點在于強度低載荷時結(jié)構(gòu)容易發(fā)生斷裂或者變形，可靠度較差。（a）篩網(wǎng)輪 （b）玉兔號月球車 （c）篩網(wǎng)輪圖 1.10無人月球車及篩網(wǎng)輪

LRV (b) 金屬絲編織輪 (c) MET (d)圖 1.6 美國月面巡視車輛及其車輪nokhod-1 是第一臺成功登陸月球的無人探測車，車輪采用網(wǎng)狀鋼輻條和傾斜履刺結(jié)構(gòu)，如圖 1.7（a）[11]。該車輪適合于在沙土表輻條和彈性篩網(wǎng)能起到一定的吸震功能，但是吸收振動的能力弱國的玉兔號月球車，如圖 1.8（b）所示，采用的是與蘇聯(lián)類似的結(jié)構(gòu)，如圖 1.9（c）。篩網(wǎng)輪的優(yōu)點在于質(zhì)量輕，并且篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)壤的清除，并且輪刺結(jié)構(gòu)可以增大牽引力，缺點在于強度低，受結(jié)構(gòu)容易發(fā)生斷裂或者變形，可靠度較差。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2762787