月面探测车辆驱动轮牵引性能研究

论文摘要

月面探测车辆是各种探测仪器的载体,其基本功能是具有在未知的复杂路面行走的能力,以满足科学探测考察的需要,由于月壤可通过能力差,且探测车辆要求工作可靠、重量轻、尺寸小。因此,深入研究在月面环境下的探测车辆牵引性能,对其性能评估及面向月球的高通过性行走机构研制具有重要意义。本文针对月面探测车辆驱动轮牵引性能的研究需要,以火山灰为主要原料制备了应用于月面-车辆力学试验用模拟月壤,研制了月壤-车轮土槽测试系统,设计了不同结构尺寸的被试轮。在此基础上,进行了月面探测车辆驱动轮牵引性能试验,分析了驱动轮下模拟月壤的剪切破坏形式,得出了不同结构参数和行驶条件下驱动轮的牵引性能。在土槽试验与车辆-地面力学研究成果基础上,建立了月面探测车辆驱动轮与月壤相互作用关系数学模型,通过压板试验和履带板试验确定了模拟月壤的地面力学相关参数,并利用自行编写的仿真程序对探测车辆驱动轮牵引性能进行了仿真分析。最后,本文使用颗粒流程序（PFC2D）细观分析了微重力条件下驱动轮与月壤相互作用关系,得出了驱动轮下月壤颗粒的运动轨迹、孔隙率变化、速度分布、接触力场等规律以及微重力条件下驱动轮的牵引性能。以上研究可为月面探测车辆行走系统设计、分析与验证、原理样机研制奠定基础。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 车辆地面力学研究概况
• 1.2.1 车辆地面力学研究的意义
• 1.2.2 车辆地面力学研究的内容和方法
• 1.2.3 车辆地面力学的研究机构
• 1.2.4 国外车辆地面力学的研究现状
• 1.2.5 国内车辆地面力学的研究现状
• 1.3 深空探测中的车辆地面力学研究概述
• 1.3.1 深空探测车辆地面力学研究的特殊性与必要性
• 1.3.2 国内外的研究现状
• 1.3.3 深空探测地面力学研究的内容和方法
• 1.4 模拟月壤研究简介
• 1.4.1 月壤简介
• 1.4.2 模拟月壤研制的意义
• 1.4.3 模拟月壤研究的国内外现状
• 1.5 离散单元法研究概述
• 1.5.1 离散单元法的基本思想
• 1.5.2 离散单元法的发展现状
• 1.5.3 离散单元法在地面力学研究中的应用现状
• 1.6 本文研究的目的与主要内容
• 1.6.1 课题来源和研究目的
• 1.6.2 研究的技术路线
• 1.6.3 研究的主要内容
• 1.7 小结
• 第二章 月面－车辆力学试验用模拟月壤研究
• 2.1 引言
• 2.2 模拟月壤的原料与制备
• 2.2.1 原料
• 2.2.2 制备
• 2.3 性能实验与结果分析
• 2.3.1 试样的物理性能
• 2.3.2 粒径分布
• 2.3.3 抗剪强度
• 2.3.4 压缩性能
• 2.3.5 颗粒形态
• 2.3.6 矿物成分
• 2.4 模拟月壤与月壤和JSC-1 的比较
• 2.4.1 月壤物理力学性质
• 2.4.2 比重比较
• 2.4.3 孔隙比和松散密度比较
• 2.4.4 内摩擦角与凝聚力比较
• 2.4.5 压缩性比较
• 2.4.6 颗粒形态比较
• 2.4.7 粒径比较
• 2.5 模拟月壤三轴试验
• 2.5.1 三轴试验
• 2.5.2 三轴实验结果分析
• 2.6 模拟月壤硬度试验
• 2.6.1 模拟月壤硬度试验设备
• 2.6.2 试验与结果分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 月面探测车辆驱动轮牵引性能土槽试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 月壤－车轮土槽系统研制
• 3.2.1 月壤－车轮土槽系统方案设计
• 3.2.2 月壤－车轮土槽系统机械结构
• 3.2.3 月壤－车轮土槽测控系统
• 3.3 驱动轮牵引性能土槽试验
• 3.3.1 试验目的与意义
• 3.3.2 试验指标
• 3.3.3 试验过程
• 3.3.4 相关实验数据获取与分析
• 3.4 驱动轮下模拟月壤剪切破坏分析
• 3.4.1 驱动轮的行驶推力和行驶阻力
• 3.4.2 不同结构参数驱动轮对模拟月壤破坏分析
• 3.4.3 不同滑转率对驱动轮下模拟月壤破坏分析
• 3.4.4 驱动轮对不同介质破坏分析
• 3.5 车轮结构参数对驱动轮牵引特性影响
• 3.5.1 被试轮设计
• 3.5.2 轮宽对驱动轮牵引性能影响
• 3.5.3 轮径对驱动轮牵引性能影响
• 3.5.4 轮刺高度对驱动轮牵引性能影响
• 3.5.5 轮刺分布密度对驱动轮牵引性能影响
• 3.6 行驶参数对驱动轮牵引特性影响
• 3.6.1 载荷对驱动轮牵引性能影响
• 3.6.2 转速对驱动轮牵引性能影响
• 3.6.3 模拟月壤硬度对驱动轮牵引性能影响
• 3.6.4 介质变化对月面探测车辆牵引性能影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 驱动轮与月壤相互作用数学模型及其仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 月壤承压、剪切及承载特性模型
• 4.2.1 分析思路与方法
• 4.2.2 月壤承压特性模型
• 4.2.3 月壤剪切特性模型
• 4.2.4 月壤承载特性模型
• 4.3 驱动轮与月壤相互作用数学模型
• 4.3.1 驱动轮与月壤相互作用分析
• 4.3.2 基于承压模型的驱动轮滚动阻力
• 4.3.3 基于承载模型的驱动轮推土阻力
• 4.3.4 基于剪切模型的月面附着力
• 4.3.5 驱动轮扭矩
• 4.3.6 驱动轮滑转沉陷
• 4.3.7 驱动轮与月壤相互作用通过性能评价指标
• 4.4 模拟月壤压板试验与履带板试验
• 4.4.1 模拟月壤压板试验
• 4.4.2 参数变化对载荷－沉陷影响
• 4.4.3 模拟月壤履带板试验
• 4.4.4 参数变化对剪应力－位移影响
• 4.5 驱动轮与月壤相互作用仿真分析
• 4.5.1 仿真程序设计
• 4.5.2 土槽验证试验
• 4.5.3 仿真分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 月壤离散元接触力学模型
• 5.1 引言
• 5.2 颗粒流方法的基本思想与特点
• 5.2.1 颗粒流方法的基本思想
• 5.2.2 颗粒流方法的基本假设
• 5.2.3 颗粒流方法的特点
• 5.3 颗粒流方法的物理模型及参数的确定
• 5.3.1 单元接触力学模型
• 5.3.2 基本物理模型
• 5.3.3 离散单元接触计算策略
• 5.3.4 物理参数的确定
• 5.4 月壤离散元接触力学模型
• 5.4.1 线性刚度接触力学模型
• 5.4.2 离散元模拟月壤细观参数的确定方法
• 5.4.3 离散元模拟双轴试验
• 5.4.4 细观参数变化对宏观性能的影响
• 5.4.5 月壤离散元接触力学模型
• 5.5 模拟压板与履带板试验
• 5.5.1 模拟压板试验
• 5.5.2 模拟履带板试验
• 5.5.3 离散元模拟月壤与土槽用模拟月壤对比
• 5.6 本章小结
• 第六章 月面探测车辆驱动轮牵引性能细观离散元分析
• 6.1 引言
• 6.2 PFC2D 模拟土槽－被试轮系统的生成
• 6.2.1 模拟被试轮―土槽系统
• 6.2.2 滑转沉降速度确定
• 6.2.3 滑转时前进速度确定
• 6.2.4 离散元模拟试验
• 6.3 土槽试验与离散元模拟试验的对比分析
• 6.3.1 验证试验条件
• 6.3.2 验证试验结果与分析
• 6.4 微重力条件下月面探测车辆牵引性能
• 6.4.1 离散元模拟试验条件
• 6.4.2 结果与分析
• 6.5 驱动轮下月壤颗粒变化细观分析
• 6.5.1 细观分析方法
• 6.5.2 光滑轮下颗粒的位移分析
• 6.5.3 光滑轮下颗粒的速度分析
• 6.5.4 有刺轮下颗粒的位移分析
• 6.5.5 有刺轮下颗粒的速度分析
• 6.5.6 驱动轮下颗粒孔隙率变化分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文、参加科研和获奖情况
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 导师及作者简介