本文關(guān)鍵詞：基于鴕鳥足底形態(tài)特征的火星巡視器車輪仿生研究

  更多相關(guān)文章： 鴕鳥足底曲面 火星巡視器車輪 固沙限流 牽引通過(guò)性 工程仿生學(xué)

【摘要】：本文基于鴕鳥足底特殊曲面在沙土中具有的優(yōu)良的通過(guò)性能，研究其獨(dú)特的形貌特征、曲面/沙土相互作用規(guī)律以及鴕鳥足在觸地過(guò)程中兩趾配合規(guī)律，并結(jié)合仿生學(xué)原理，利用工程仿生技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種高通過(guò)性火星巡視器車輪結(jié)構(gòu)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的仿生車輪通過(guò)性能進(jìn)行了探究。 利用三維激光掃描儀獲取鴕鳥足的幾何模型，結(jié)合逆向工程軟件Geomagic Studio對(duì)幾何模型進(jìn)行處理，把鴕鳥足底曲面劃分為第Ⅲ趾底曲面的前掌緩曲面、中間凹槽面和足跟凸冠面以及第Ⅳ趾底曲面四個(gè)鴕鳥足底特征區(qū)域，并利用EDEM離散元軟件和有限元軟件對(duì)鴕鳥足底曲面靜態(tài)下壓數(shù)值模擬和足底曲面形變分析，探索了鴕鳥足底曲面固沙限流防滑移機(jī)理[1]。結(jié)果表明：鴕鳥足底曲面下沙土顆粒流動(dòng)程度沿足寬方向大于沿足長(zhǎng)方向，表明鴕鳥足底曲面形貌更好地減緩了鴕鳥足在沙地上的前行滑移程度。在鴕鳥足多曲面結(jié)合形貌中，，第Ⅲ趾底中間凹槽面固沙限流效果最好，此區(qū)域的沙土顆粒群受力呈現(xiàn)網(wǎng)格狀穩(wěn)態(tài)緊固分布。 結(jié)合逆向工程軟件Geomagic Studio、三維設(shè)計(jì)軟件Catia中的數(shù)字化設(shè)計(jì)模塊點(diǎn)云過(guò)濾功能以及MATLAB軟件的曲面擬合功能，對(duì)鴕鳥第Ⅲ趾足底三個(gè)典型曲面及第Ⅳ趾底曲面進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，實(shí)現(xiàn)把鴕鳥足由生物模型向數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)化，并得到第Ⅲ趾底曲面的前掌緩曲面、中間凹槽面和足跟凸冠面以及第Ⅳ趾底曲面的數(shù)學(xué)方程分別為： Z=428.2+1.26x+2.317y+0.0066x2-0.00023xy+0.01735y2，R2=0.9485； Z=340.7-2.208x+3.016y-0.017x2+0.0009xy+0.04339y2，R2=0.9607； x2/47.47082+y2/30.18522+(z+70)2/702=1，R2=0.95； Z=307.2+0.28x+1.081y+0.003587x2-0.0009xy+0.0213y2，R2=0.953。 根據(jù)鴕鳥足第Ⅲ趾底三個(gè)典型曲面的曲面特征及連接方式，結(jié)合越沙輪本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和越沙機(jī)理，利用仿生學(xué)原理，在大型三維設(shè)計(jì)軟件Catia中設(shè)計(jì)出仿生越沙輪輪面。并加工成實(shí)物模型，利用精度較高的車輪/土壤土槽測(cè)試系統(tǒng)，從車輪的輪轍、掛鉤牽引力和滑轉(zhuǎn)率等方面來(lái)研究仿生鼓行車輪和普通鼓形輪的通過(guò)性能。并借助大型離散元軟件PFC，建立與實(shí)際參數(shù)一致的土槽輪壤系統(tǒng)，將設(shè)計(jì)的仿生輪導(dǎo)入進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬，研究仿生輪面的掛鉤牽引力、抗沉陷能力等越沙性能，與車輪/土壤土槽結(jié)果對(duì)照。試驗(yàn)和仿真模擬結(jié)果表明，在相同條件下，仿生鼓形輪面的牽引性能較普通鼓形輪面提高3倍左右。 采用高速攝像系統(tǒng)并結(jié)合Simi Motion運(yùn)動(dòng)分析軟件，對(duì)鴕鳥足在不同角度的側(cè)斜坡路面上慢跑時(shí)單腳從觸地到離地這段時(shí)間內(nèi)，第Ⅲ趾和第Ⅳ趾夾角的變化規(guī)律進(jìn)行探究，以尋求第Ⅳ趾與沙土相互作用時(shí)的兩趾最優(yōu)配合角度。最后利用仿生學(xué)原理，把鴕鳥第Ⅳ趾形貌特征以及兩趾最優(yōu)配合角度應(yīng)用在仿生輪面與仿生輪刺設(shè)計(jì)上，借助功能強(qiáng)大的Catia三維設(shè)計(jì)軟件在仿生輪面緩曲面上設(shè)計(jì)出合理的仿生輪刺，并進(jìn)行土槽實(shí)驗(yàn)，研究其牽引和抗滑移性能。試驗(yàn)證明，在試驗(yàn)條件相同的情況下，設(shè)計(jì)有仿生輪刺的仿生巡視器車輪比不加輪刺的仿生輪面的通過(guò)性能提高8.6%。
【關(guān)鍵詞】：鴕鳥足底曲面 火星巡視器車輪 固沙限流 牽引通過(guò)性 工程仿生學(xué)
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V476.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-27
• 1.1 課題研究背景和意義12-13
• 1.2 火星及火星巡視器行走機(jī)構(gòu)13-17
• 1.2.1 火星環(huán)境簡(jiǎn)介13-14
• 1.2.2 火星巡視器行走機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀14-17
• 1.3 松軟地面行駛機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀17-20
• 1.4 鴕鳥及仿鴕鳥腿足機(jī)構(gòu)20-25
• 1.4.1 鴕鳥簡(jiǎn)介20-21
• 1.4.2 仿鴕鳥腿足機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀21-25
• 1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容及研究方法25-26
• 1.6 本章小結(jié)26-27
• 第2章 鴕鳥足底曲面形貌越沙機(jī)理研究27-38
• 2.1 鴕鳥足底曲面形貌分析27-28
• 2.1.1 鴕鳥足整體結(jié)構(gòu)27
• 2.1.2 鴕鳥足底外觀形貌27-28
• 2.2 鴕鳥足底曲面三維幾何模型28-30
• 2.2.1 三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云獲取28-29
• 2.2.2 三維幾何模型建立29-30
• 2.3 鴕鳥足底曲面/沙土相互作用數(shù)值模擬30-36
• 2.3.1 模擬系統(tǒng)建立30-32
• 2.3.2 足底曲面與沙土相互作用分析32-34
• 2.3.3 鴕鳥足第Ⅲ趾底曲面對(duì)沙土作用細(xì)觀模擬34-35
• 2.3.4 鴕鳥二趾足底曲面形變有限元分析35-36
• 2.4 小結(jié)36-38
• 第3章 鴕鳥足底非規(guī)則曲面形貌數(shù)學(xué)模型研究38-48
• 3.1 數(shù)學(xué)模型研究方法概述38
• 3.2 鴕鳥足底曲面模型重構(gòu)及分割38-41
• 3.2.1 三維幾何模型建立與分割39-40
• 3.2.2 典型數(shù)據(jù)點(diǎn)云及三維坐標(biāo)獲取40-41
• 3.3 鴕鳥足底曲面形貌的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建41-46
• 3.3.1 鴕鳥足第Ⅲ趾底中間凹槽面數(shù)學(xué)建模及分析42-43
• 3.3.2 鴕鳥足第Ⅲ趾底前掌緩曲面數(shù)學(xué)建模及分析43-44
• 3.3.3 鴕鳥足第Ⅲ趾底足跟凸冠面數(shù)學(xué)建模及分析44-45
• 3.3.4 鴕鳥足第Ⅳ趾底曲面數(shù)學(xué)建模及分析45-46
• 3.4 本章小結(jié)46-48
• 第4章 火星巡視器車輪輪面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)及性能研究48-63
• 4.1 火星巡視器車輪輪面仿生設(shè)計(jì)48-51
• 4.1.1 仿生輪面設(shè)計(jì)思路48
• 4.1.2 仿生輪面單體的設(shè)計(jì)48-50
• 4.1.3 仿生輪面整體設(shè)計(jì)50-51
• 4.2 火星巡視器仿生車輪輪面土槽試驗(yàn)51-56
• 4.2.1 仿生車輪加工51-52
• 4.2.2 仿生車輪土槽實(shí)驗(yàn)52-56
• 4.2.2.1 試驗(yàn)過(guò)程53
• 4.2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析53-56
• 4.3 火星巡視器車輪輪面離散元仿真分析56-62
• 4.3.1 離散元法及 PFC 理論56-57
• 4.3.2 仿生輪面在 PFC2D 中仿真分析57-62
• 4.3.2.1 系統(tǒng)模型驗(yàn)證57-58
• 4.3.2.2 鼓形輪壤二維仿真系統(tǒng)58-59
• 4.3.2.3 仿生鼓形輪面越沙性能數(shù)值模擬分析59-62
• 4.4 本章小結(jié)62-63
• 第5章 仿生巡視器車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)63-74
• 5.1 巡視器車輪輪刺的仿生設(shè)計(jì)思路63-64
• 5.2 鴕鳥足運(yùn)動(dòng)過(guò)程二趾動(dòng)態(tài)變化研究64-68
• 5.2.1 鴕鳥足運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)外場(chǎng)搭建64-65
• 5.2.2 鴕鳥足運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集65-66
• 5.2.3 鴕鳥足二趾配合規(guī)律分析66-68
• 5.3 巡視器車輪輪刺設(shè)計(jì)68-71
• 5.3.1 輪刺與輪面位置關(guān)系的確定68-69
• 5.3.2 輪刺單體在輪面上的設(shè)計(jì)69-70
• 5.3.3 輪刺在巡視器車輪上布局設(shè)計(jì)70-71
• 5.4 巡視器車輪土槽實(shí)驗(yàn)分析71-73
• 5.4.1 仿生輪刺的實(shí)物加工71-72
• 5.4.2 巡視器車輪土槽試驗(yàn)72-73
• 5.5 本章小結(jié)73-74
• 第6章 結(jié)論與展望74-76
• 6.1 本文研究?jī)?nèi)容總結(jié)74-75
• 6.2 展望75-76
• 參考文獻(xiàn)76-81
• 導(dǎo)師及作者簡(jiǎn)介81-82
• 研究生期間發(fā)表論文及參與項(xiàng)目情況82-84
• 致謝84-85

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：652566