【摘要】：月球探測(cè)正在成為各國(guó)深空探測(cè)計(jì)劃的重要組成部分,月球車作為月面探測(cè)的工具平臺(tái),在巡視勘測(cè)任務(wù)中起著重要作用。月球表面的特殊環(huán)境和探測(cè)車輛的自身特點(diǎn)如:月表為松軟地面;月表重力加速度約為地球的1/6;探測(cè)車輛重量輕、尺寸小等原因?qū)е绿綔y(cè)車輛容易沉陷、打滑甚至不能前進(jìn)。因此,深入研究月面環(huán)境下的探測(cè)車輛牽引通過性能,對(duì)于探測(cè)車輛的性能評(píng)估及面向月球的高通過性行走機(jī)構(gòu)研制具有重要意義。篩網(wǎng)輪具有網(wǎng)狀胎面結(jié)構(gòu),可以避免塵土的堆積存留,具有結(jié)構(gòu)輕便和轉(zhuǎn)向阻力小等優(yōu)點(diǎn),被應(yīng)用于月球和火星探測(cè)任務(wù)中。月面探測(cè)車輛的牽引性能是其通過性能的重要組成部分,但國(guó)內(nèi)外關(guān)于篩網(wǎng)輪在松軟地面通過性方面的研究還比較少。另外,限于設(shè)備條件,大多數(shù)的月球車單輪土槽試驗(yàn)研究是以地球重力加速度下的輪上載荷為試驗(yàn)條件,針對(duì)月面低重力的輕載荷條件下輪壤關(guān)系研究較少。因此,深入研究輕載荷條件下篩網(wǎng)輪與月壤的相互作用,對(duì)于提高和保障月球車在月面的通過性能、保證深空探測(cè)任務(wù)的順利實(shí)施具有重要意義。針對(duì)月面低重力環(huán)境,基于地面力學(xué)理論方法,以模擬星壤性能測(cè)試整備和整車土槽試驗(yàn)整備方法研究為基礎(chǔ),開展的主要研究包括:研制輕型輪壤土槽試驗(yàn)系統(tǒng),以JLU-2b型模擬月壤為試驗(yàn)介質(zhì),開展輕載荷條件下單輪承壓特性和牽引通過性研究,建立修正的承壓和沉陷模型;基于相似理論研制縮比模型樣車,基于地面機(jī)器系統(tǒng)理論方法開展模型車牽引性能力學(xué)模型研究,建立輪壤相互作用的沉陷和掛鉤牽引力預(yù)測(cè)模型;基于輪轍圖像信息提取車輪滑轉(zhuǎn)率和表觀沉陷技術(shù)指標(biāo),分析不同滑轉(zhuǎn)率條件下模擬月壤狀態(tài)、輪上載荷對(duì)車輪實(shí)際沉陷和表觀沉陷影響規(guī)律,建立低重力環(huán)境下實(shí)際沉陷預(yù)估模型;開展模擬月壤力學(xué)狀態(tài)非參數(shù)化識(shí)別方法研究;基于模擬月壤力學(xué)特性估計(jì)成果,進(jìn)行車輪沉陷的評(píng)估與驗(yàn)證分析,具體研究?jī)?nèi)容如下。模擬星壤的整備方法及其沖擊特性研究。進(jìn)行了模擬星壤性能測(cè)試整備和輪壤土槽試驗(yàn)整備方法研究。整備中以非參數(shù)化的密實(shí)度對(duì)模擬星壤進(jìn)行分級(jí),包括松散、自然、密實(shí)三種狀態(tài);得到了模擬星壤整備結(jié)果的容重和貫入阻力評(píng)估方法。容重評(píng)估方法中,容重測(cè)量相對(duì)誤差不超過3.4%。貫入阻力評(píng)估方法中,模擬月壤松散狀態(tài)、自然狀態(tài)和密實(shí)狀態(tài)模擬月壤貫入阻力最大值分別約為300kpa、600kpa和1500kpa,相對(duì)誤差不超過10%,試驗(yàn)中模擬月壤包含了真實(shí)月壤圓錐指數(shù)上下限,整備后的模擬月壤可以用于相關(guān)土槽試驗(yàn)研究�；谀M星壤整備工藝,以戈壁砂壤、石英砂、jlu-1b和jlu-2b型模擬月壤、jlumars-1型模擬火星壤、tj-1型模擬月壤為試驗(yàn)對(duì)象,進(jìn)行六種試驗(yàn)介質(zhì)自然和密實(shí)狀態(tài)下沖擊特性試驗(yàn)。對(duì)比分析不同試驗(yàn)介質(zhì)及其狀態(tài)下足墊沖擊深度、加速度和沖擊力,建立了沖擊深度關(guān)于沖擊高度和足墊直徑的模型。輕載荷條件下篩網(wǎng)輪通過性能研究。分析了準(zhǔn)靜態(tài)條件下篩網(wǎng)輪承壓特性曲線,發(fā)現(xiàn)篩網(wǎng)輪沉陷較普通圓柱輪的大,最大靜沉陷平均提高了15.2%,試驗(yàn)土壤的顆粒大小、形態(tài)及分布對(duì)篩網(wǎng)輪承壓曲線影響明顯;建立了修正的承壓模型,進(jìn)一步推導(dǎo)了篩網(wǎng)輪的修正靜沉陷模型。對(duì)承壓模型進(jìn)行驗(yàn)證,總體相對(duì)誤差不超過13.6%。分析了篩網(wǎng)輪沉陷特性,松散狀態(tài)下篩網(wǎng)輪沉陷較自然狀態(tài)平均提高了15.4%。篩網(wǎng)輪沉陷隨載荷增加而增加,沉陷平均增加率為15.2%;建立了沉陷與輪上載荷和行駛速度的二元線性方程。分析了篩網(wǎng)輪牽引特性,模擬月壤狀態(tài)對(duì)篩網(wǎng)輪驅(qū)動(dòng)扭矩的影響較圓柱的明顯,隨著模擬月壤由松散狀態(tài)變?yōu)樽匀粻顟B(tài)時(shí),篩網(wǎng)輪驅(qū)動(dòng)扭矩和掛鉤牽引力分別平均提高了14.4%和16.7%;圓柱輪驅(qū)動(dòng)扭矩和掛鉤牽引力較篩網(wǎng)的大,分別平均提高了45.2%和32.3%;篩網(wǎng)輪牽引效率最大值0.29,對(duì)應(yīng)的滑轉(zhuǎn)率分別為21.2%,圓柱輪在滑轉(zhuǎn)率為17.9%時(shí),牽引效率達(dá)到最大值0.21;當(dāng)滑轉(zhuǎn)率達(dá)到60%時(shí),篩網(wǎng)輪牽引效率低于0.13,為保證月球車具有較好的通過性能,車輪滑轉(zhuǎn)率控制在20%左右較為安全�；谙嗨评碚摰哪Ｐ蛙囃ㄟ^性研究。分析了不同試驗(yàn)介質(zhì)下模型車沉陷行為和牽引特性。模型車在模擬月壤上行駛時(shí),車輪沉陷和最大掛鉤牽引力均較在石英砂上的大;基于地面力學(xué)理論,采用輪壤接觸應(yīng)力分布的線性化方法,建立了輪壤相互作用掛鉤牽引力預(yù)測(cè)模型,試驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差均值為8.6%;分析了行駛速度和坡度對(duì)模型車通過性影響規(guī)律,模型車各車輪滑轉(zhuǎn)率隨著坡度增加而增加,滑轉(zhuǎn)率隨坡度呈現(xiàn)二次關(guān)系,速度對(duì)滑轉(zhuǎn)率影響明顯較坡度的小,各車輪滑轉(zhuǎn)率隨速度的平均波動(dòng)誤差分別為9.0%(前輪)、8.9%(中間輪)和8.7%(后輪);模型車前輪和中間輪沉陷均隨滑轉(zhuǎn)率的增加而增加,且二者變化趨勢(shì)基本保持一致,后輪沉陷則明顯較前輪和中間輪的小,沉陷最大值為13.6mm(車輪半徑的18.1%);當(dāng)坡度為20°時(shí),前輪和中間輪的滑轉(zhuǎn)率達(dá)到65%,此時(shí)車輪擾動(dòng)坡面模擬月壤出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象,模型車的通過性變得較差,模型車可能進(jìn)入危險(xiǎn)工況;當(dāng)坡度為25°時(shí),前輪和中間輪沉陷分別為33.1mm(車輪半徑的44.1%)和33.9mm(車輪半徑的45.2%),滑轉(zhuǎn)率接近90%,模型車在試驗(yàn)中的極限爬坡角度為25°,考慮到能量消耗以及安全的通過性能,模型車巡視坡度在20°以內(nèi)較為安全。基于輪轍非接觸測(cè)量的模型車沉陷行為研究。進(jìn)行了不同滑轉(zhuǎn)條件下模型車牽引通過性土槽沉陷試驗(yàn),重點(diǎn)研究模型車后輪輪轍,基于輪轍形貌非接觸測(cè)量,提取車輪滑轉(zhuǎn)率和表觀沉陷;分析了模擬月壤狀態(tài)、載荷和滑轉(zhuǎn)率對(duì)模型車前輪和后輪實(shí)際沉陷及表觀沉陷的影響規(guī)律。結(jié)果表明,載荷因素對(duì)實(shí)際沉陷和表觀沉陷的影響較模擬月壤狀態(tài)的影響大;建立了模型車前輪實(shí)際沉陷關(guān)于載荷和滑轉(zhuǎn)率的指數(shù)預(yù)估模型,及實(shí)際沉陷關(guān)于載荷和滑轉(zhuǎn)率的二元二次預(yù)估模型,模型預(yù)測(cè)的沉陷均方根誤差不超過2.4mm,平均相對(duì)誤差在10%以內(nèi);建立了模型車前輪實(shí)際沉陷關(guān)于表觀沉陷和滑轉(zhuǎn)率的二元二次預(yù)估模型,及后輪實(shí)際沉陷關(guān)于表觀沉陷的線性預(yù)估模型,預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的均方根誤差不超過2.1mm,平均相對(duì)誤差在15%以內(nèi);分析了載荷、表觀沉陷和滑轉(zhuǎn)率估計(jì)誤差對(duì)沉陷預(yù)估模型預(yù)測(cè)精度的影響。結(jié)果表明,載荷估計(jì)誤差對(duì)模型預(yù)測(cè)精度影響較小,相對(duì)誤差不超過9.9%;滑轉(zhuǎn)率估計(jì)誤差對(duì)模型預(yù)測(cè)精度影響在12.1%以內(nèi)。模擬月壤力學(xué)特性和沉陷行為評(píng)估方法研究。分析了巡視器的移動(dòng)分系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)中對(duì)車輪實(shí)際沉陷影響最為明顯的因素,包括表觀沉陷、載荷和滑轉(zhuǎn)率,提取出了20個(gè)二元及三元標(biāo)識(shí)量,及其識(shí)別準(zhǔn)則,利用標(biāo)識(shí)量對(duì)模擬月壤力學(xué)狀態(tài)非參數(shù)化識(shí)別,得到了基于遙測(cè)量的模擬月壤力學(xué)狀態(tài)評(píng)估方法;分析了各標(biāo)識(shí)量對(duì)模擬月壤力學(xué)狀態(tài)識(shí)別正確率和保守率,得到模擬月壤力學(xué)狀態(tài)識(shí)別的較優(yōu)標(biāo)識(shí)量和較優(yōu)識(shí)別準(zhǔn)則;驗(yàn)證評(píng)估結(jié)果表明,利用滑轉(zhuǎn)率作為估計(jì)模擬月壤力學(xué)狀態(tài)的標(biāo)識(shí)量成功率不高,準(zhǔn)確率只有50%,保守成功率僅67%;以輪上載荷及表觀沉陷量作為標(biāo)識(shí)量的識(shí)別效果最好,準(zhǔn)確成功率為83%,保守成功率100%;分析了沉陷評(píng)估方法步驟,開展了模擬月壤沉陷行為評(píng)估方法研究,不同模型估計(jì)值與實(shí)際測(cè)量值偏差范圍在-6.3mm~3.0mm,模型預(yù)測(cè)沉陷值與實(shí)際沉陷相對(duì)誤差不超過18.5%,均方根誤差不超過3.2mm,本研究所采用的沉陷模型和預(yù)估方法能夠較好地對(duì)在軌當(dāng)前區(qū)域的車輪沉陷量進(jìn)行評(píng)估。本文建立了月壤/車輪沉陷模型,構(gòu)建了月壤力學(xué)特性和沉陷行為評(píng)估方法,并成功應(yīng)用于月壤參數(shù)辨識(shí)、深空探測(cè)車輛通過性預(yù)估,為面向低重力環(huán)境的深空探測(cè)車輛地面試驗(yàn)、性能評(píng)估以及對(duì)在軌巡視器的地面任務(wù)支持提供技術(shù)指導(dǎo),具有重要意義。
【圖文】：

（d）雪地?zé)o人車輛 （e）沙漠越野車輛 （f）星球探測(cè)車輛圖 1.1 非常規(guī)地面車輛（1）純經(jīng)驗(yàn)法：以美國(guó)陸軍工程部隊(duì)水道試驗(yàn)站（Waterway Test Station，WES）的圓錐指數(shù)法為典型代表，這種方法一方面用觀察和測(cè)量來鑒別土壤，另一方面在不同類型土壤上開展車輛性能試驗(yàn)，結(jié)合兩組試驗(yàn)結(jié)果，推導(dǎo)出土壤特性與車輛性能之間的關(guān)系。純經(jīng)驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快速、易行，目前在美、英、日等國(guó)仍被廣泛采用，但是此方法很難把“圓錐指數(shù)”與土壤的力學(xué)特性建立起聯(lián)系，要找出定量關(guān)系需要開展大量試驗(yàn)，且所得結(jié)果很難外推應(yīng)用于試驗(yàn)范圍以外的情況。這是因?yàn)樵摲椒▋H把車輛性能與圓錐指數(shù)相聯(lián)系，過分簡(jiǎn)化了車輛行走機(jī)構(gòu)與地面相互作用問題。因此，圓錐指數(shù)法仍存在較大局限性，只適用于試驗(yàn)車輛和類似車輛，不能用于精確預(yù)測(cè)新設(shè)計(jì)車輛的通過性能。（2）半經(jīng)驗(yàn)法：半經(jīng)驗(yàn)法以貝克（Bekker）研究工作為典型代表，，這種方法以典型土力學(xué)（如庫(kù)倫、太沙基、蘭金、普蘭特的學(xué)說）為基礎(chǔ)，通過大量的實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，提出一系列半經(jīng)驗(yàn)的地面-車輛系統(tǒng)的工程模擬模型和計(jì)算公式。這種方法建立了地面-車輛相互作用問題的定量描述，基于土壤承壓特性公

第一章 緒論庫(kù)倫準(zhǔn)則的剪切強(qiáng)度 τmax的表達(dá)式為maxtann c 分別為土壤內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，σn為受力面法向應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)室通常由直接剪切試驗(yàn)、葉片剪切試驗(yàn)及三軸以平面應(yīng)變或扭轉(zhuǎn)方式破壞的土壤，適合采用直接剪合測(cè)定軟粘土和壤土的剪切強(qiáng)度。由于可實(shí)現(xiàn)土壤各破壞可出現(xiàn)在任意平面，三軸試驗(yàn)被更為廣泛地采用輛牽引力和滑轉(zhuǎn)率，通過履帶板剪切試驗(yàn)確定剪切應(yīng)系。常見的兩種剪切應(yīng)力-位移特性曲線，如圖 1.2 所如緊實(shí)砂土和凍結(jié)的雪地)，剪切特性曲線呈現(xiàn)最大剪表示為
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：V476.3

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1 范文峰;小重力環(huán)境下模擬月壤承壓特性試驗(yàn)及月球車/月壤關(guān)系研究[D];吉林大學(xué);2012年

2 馬亮;深層采樣全過程月壤樣品層理保持特性分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

3 王剛;月壤樣品軟袋多道異構(gòu)封口技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

4 樸松杰;蠕動(dòng)掘進(jìn)器月壤接力式運(yùn)移負(fù)載特性分析及試驗(yàn)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

5 柏德恩;基于單刃切削模型的鉆具與月壤相互作用特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

6 張偉偉;蠕動(dòng)掘進(jìn)式潛入器潛入特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

7 鄭剛;真空環(huán)境下月壤顆粒受力影響因素及空間分布規(guī)律的研究[D];天津大學(xué);2014年

8 崔小文;基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的月壤輻射和散射特性影響因素研究[D];華中科技大學(xué);2015年

9 向小林;模擬月壤的物理特性參數(shù)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究[D];沈陽(yáng)理工大學(xué);2016年

10 戰(zhàn)慶欣;月面鉆進(jìn)采樣過程鉆具熱特性實(shí)驗(yàn)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2551592