月壤特性对月球车轮地相互作用力的影响

为了了解月壤特性变化对于月球车轮地相互作用的影响,对月壤的物理和力学特性参数进行分析,制作模拟月壤进行土壤参数测量实验和月球车轮地相互作用实验.根据实验数据及轮地相互作用力学模型进行模拟月壤参数的估计和辨识,将典型月壤参数带入模型进行理论分析和数值分析,并与试验中获取的车轮土壤相互作用数据进行对比.结果表明:土壤的承压特性参数主要影响车轮沉陷量,车轮驱动阻力矩主要受土壤的剪切特性影响,反映土壤物理特性的接触角系数变化对于轮地作用影响相对较小.该研究为进行月球车车轮力学性能的全面分析和月壤参数辨识等的应用提供了理论基础。     

模拟月壤的抗剪强度特性研究

着落器月面软着陆时,着陆地月面岩土体特性和初始着陆速度是影响着陆成败的关键。模拟月壤是登月工程模型试验的重要材料,其性质直接影响着落器着落反应。为更好地实现安全着落,文章对着陆试验所用模拟月壤进行了系统的力学特性测试,由于月面不存在液态水、月面土层密度随深度变化很大,采用干燥试样进行了系列三轴试验,研究了不同相对密度、不同剪切速率条件下模拟月壤的抗剪强度,得到了不同密实程度的模拟月壤的应力应变关系曲线、弹性模量、峰值和残余段的粘聚力和摩擦角,通过不同应变速率的剪切速率测试,得到了模拟月壤的剪切速率与各力学强度参数的关系。结果表明:模拟月壤具有应变软化特性,剪切速率越大模拟月壤的弹性模量越小;峰值段摩擦角42.8~59°、残余段摩擦角16.8~22.4°,剪切速率越大模拟月壤的摩擦角越小。     

低约束应力下模拟月壤的变形参数及其预测模型

在进行探月装置与月壤的相互作用研究中,需要月壤的变形参数。而月球的低重力环境对月面浅层月壤力学特性的影响是很大的。为此,利用清华大学模拟月壤(QH-E),采取GCTS动/应力路径三轴仪,实施一系列低围压水平(3.13~25kPa)下的三轴固结排水剪切试验,获得了围压和相对密度对QH-E切线模量、剪切模量和剪胀角等变形参数的影响规律,进而提出变形参数的预测模型。结果表明:1)在3.13~25kPa的低围压水平下,QH-E的切线模量E、剪切模量G都随着围压和相对密度的增大而增大;2)在低压范围内,相对密度增大,剪胀角增大;围压增大,剪胀角降低;3)利用本次试验数据的比较,表明所提出模型的预测精度是较高的。     

月壤静力学特性的离散元模拟

以典型月壤的物理力学性质为参照标准,采用颗粒流程序PFC3D对月壤静力学特性进行了离散元模拟研究。通过离散元模拟三轴试验反复调整颗粒细观参数,建立了月壤离散元接触力学模型;描述了月面探测车辆行驶下的月壤承压特性模型与剪切特性模型;从月面探测车辆的行驶观点出发,模拟压板试验,得出了载荷-沉降关系;通过模拟履带板试验得出了剪切应力-位移关系。最后,计算出了月壤的变形模量K为1635 kN/mn+2、变形指数n为1.22,剪切变形模量k为1.35 cm。结果表明,模拟试验值与模型预测趋势一致。     

月壤静力学特性的离散元模拟

以典型月壤的物理力学性质为参照标准,采用颗粒流程序PFC3D对月壤静力学特性进行了离散元模拟研究。通过离散元模拟三轴试验反复调整颗粒细观参数,建立了月壤离散元接触力学模型;描述了月面探测车辆行驶下的月壤承压特性模型与剪切特性模型;从月面探测车辆的行驶观点出发,模拟压板试验,得出了载荷-沉降关系;通过模拟履带板试验得出了剪切应力-位移关系。最后,计算出了月壤的变形模量K为1635kN／m^n＋2、变形指数n为1．22,剪切变形模量k为1．35cm。结果表明,模拟试验值与模型预测趋势一致。     

着陆器足垫冲击模拟月壤的数值分析

针对竖向着陆冲击过程,开展大量的模拟月壤室内单元体试验,探讨模拟月壤材料参数的确定方法和取值范围.将着陆器按月地相似比尺简化为冲击筒体,建立着陆器足垫垂直冲击模拟月壤三维动力有限元模型,模拟分析在冲击荷载作用下的足垫轴力、速度和位移的实时动力响应,与室内模型试验结果进行对比,验证了该模型的合理性. 计算表明：场地塑性区域呈形状变化的椭球,影响主要分布在2.0～3.0倍最大足垫直径深度范围内,撞击变形呈盆底形,速度响应滞后于轴力,位移响应滞后于速度.     

灌浆节理压剪峰值抗剪强度数值试验研究

对灌浆锯齿形单节理在压剪情况下的变形特性及峰值抗剪强度进行了数值试验研究.首先对数值模拟中涉及的模型网格、材料力学特性及接触面模拟问题进行了分析;在此基础上,对数值试验的精度和正确性进行了检验;最后,对灌浆锯齿形单节理在圧剪情况下的变形破坏进行了数值试验,重点针对灌浆充填度、起伏角和法向压应力等因素对于灌浆节理峰值抗剪强度的影响进行了分析,提出考虑各因素综合影响的抗剪强度经验公式,成果对进一步研究实际灌浆节理的抗剪强度具有理论指导意义,对实际工程也具有参考价值.     

航空炸弹杀爆战斗部综合毁伤分析研究

战斗部综合毁伤是战斗部最重要的特性,也是衡量战斗部设计优劣的重要指标之一.预制破片的速度是战斗部综合毁伤很重要的指标.针对目前战斗部爆炸破坏机理需完善和试验费用昂贵的现状,基于理论计算和数值模拟分析了战斗部的综合毁伤.本文对杀爆战斗部的静态和动态杀伤威力、毁伤概率等综合毁伤指标进行了分析,计算结果与试验测试数据较为吻合,对新产品研制、论证具有一定的参考价值.     

双锥形模拟月壤烘干装置的设计

模拟月壤中的含水率指标会影响采样试验所测得的转矩和功耗参数,甚至有可能影响试验实测取芯率的准确性.为了排除模拟月壤中含水率这一扰动因素,本文给出低含水率模拟月壤烘干系统的设计方法.该系统主要采用电加热及真空干燥系统,通过位于加热筒体内的螺带结构实现物料的旋转翻动,确保物料受热均匀.并且加热筒体利用双锥筒形代替普通筒形,从而使得物料能够毫无残留的全部排出.该装置具有操作简单,节约能源,物料干燥均匀,热效高的特点.     

表层沙强度特性的试验研究

本项研究利用土壤动态三轴仪对表层沙的强度特性进行了试验分析,测出其应力应变关系和强度参数φ、c,并分析了颗粒级配、含水量、密度和动态载荷对强度特性的影响,建立了浅层沙的Duncan-Chang应力应变模型,为车辆行走机构与沙相互作用的力学计算分析提供了重要的资料。     

月球车不等径车轮在土壤上滚动的力学分析与实验

月球车车轮的结构特征及其与土壤相互作用的力学特性对月球车的运动性能有着重要的影响.文中研制了一种具有抗侧滑特性的月球车不等径刚性车轮.基于车辆地面力学中车轮与土壤间的承压、剪切特性理论,提出了该不等径刚性车轮与松软土壤上滚动作用的修正模型,并采用迭代算法对车轮外形参数与力学特性参量的相互关系进行了计算和对比分析.利用Reece强制滑转原理设计了一套实验装置,进行了不等径刚性车轮在松软土壤上滚动的力学特性参量测试,验证了所建立模型的正确性.     

轮式月面巡视探测器月面牵引性能的预测

通过室内土槽试验和颗粒流数值仿真相结合的方法对轮式月面巡视探测器的轮土交互作用、车轮的牵引特性和轮下土壤变形和破坏进行了深入探讨。以吉林省火山喷发物为原料进行了模拟月壤的配制。设计并制造了深空探测车车轮牵引特性试验台并进行了不同轮齿构型车轮的牵引特性试验,获得了基础性的试验数据。考虑月壤结构松散、颗粒细小、流动性强的离散特征,采用颗粒流法分析了地面重力场下探测车轮下模拟月壤的扰动破坏、土体内接触力的分布、颗粒速度矢量的变化,获得的车轮牵引特性参数与土槽试验数据进行了对比,进一步对车轮在月面环境下的牵引性能做出了预测。     

低重力补偿下六轮独立驱动月球车的运动分析

为了在地球上模拟月球表面的低重力环境,需要对月球车进行重力补偿.提出了吊丝式双天车结构的重力补偿方案,确定了月球车在崎岖路面上行进的质心域,分析了低重力下吊丝倾角和质心变化对车轮垂直载荷的影响,绘制了车轮垂直载荷的仿真曲线,完成了低重力补偿下月球车的运动分析.研究结果表明,吊丝倾角越小,月球车的质心变化域越小,则因低重力补偿引起的月球车运动波动越小.该研究为月球车低重力实验环境的建立、月球车移动子系统的功能测试和可靠性实验奠定了理论基础.     

行星轮式月球车动力学分析

为减小行星轮式月球车车身在垂直方向的振动加速度,需要确定月球车悬挂系统的扭杆弹簧刚度和减振器阻尼的合理数值范围．因此建立了七自由度月球车的振动系统模型,并给出了月球车振动系统的振动微分方程和频率响应函数的计算方法,在确定月球车的路面输入谱密度的基础上推导了车身在垂直方向位移输出的二阶导数均方根值的计算公式,用Matlab软件编写的计算程序计算了车身在垂直方向位移输出的二阶导数的均方根值,从而确定了悬挂系统的扭杆弹簧刚度和减振器阻尼的合理数值范围．     

基于虚拟样机的月球探测机器人运动学建模

为增强月球探测机器人在三维崎岖环境下运动的动态调整能力,采用虚拟样机技术从车轮雅可比矩阵导出了月球车6个车轮的运动学方程。可用最小二乘法从6个车轮的单独雅可比矩阵导出月球车车体的位置和方向,用加速度计测量车体的俯仰角速度和滚动角速度,从而得到月球车的运动速度。仿真结果表明：用该运动学建模方法开发的HIT-1型月球车在崎岖地形中移动时具有动态调整其运动构型的能力,可增强车体的安全性和稳定性;该方法可作为一种通用的三维轮式移动机器人的运动学建模方法。     

基于 PID 控制的月面巡视探测器坡度行驶仿真分析

通过月面巡视探测器爬坡轮与地面的相互作用分析,建立月面巡视探测器坡度行驶地面力学模型。根据双闭环直流调速系统工作原理,采用位置式PID控制算法编写了电机驱动仿真模块,并将电机驱动仿真模块融合到月面巡视探测器多体动力学仿真体系中,构建了完整的月面巡视探测器动力学仿真系统。对月面巡视探测器坡度行驶工况进行仿真分析,初步实现了对月面巡视探测器动力学模型的验证,为月面巡视探测器驱动控制算法、运动规划和路径规划仿真提供技术支持。     

月球车连杆式差速平衡机构的运动学分析

为了提高月球车运动时车体平稳性和车轮承力平衡性,设计了连杆式差速平衡机构,利用ADAMS软件建立了该机构的三维仿真模型,对其进行了运动学建模、计算和运动仿真,分别获得了机构主要构件运动计算数据曲线和运动仿真曲线,对比验证了建立的运动学模型的正确性和设计的差速平衡机构对车体运动平稳性的作用,样机实验结果与理论计算及仿真结果较好吻合,进一步验证了分析方法和结论的正确性.     

新型八轮双摇杆摇臂扭杆月球车悬架设计

根据月球车探测任务的要求和探测地点,分析了设计月球车悬架的方法以及建立悬架设计基本参数选取的方法.从牵引力角度来着重设计悬架及其主要构件,根据月球车的牵引性能取决于土壤的推土阻力和运动阻力,提出了悬架设计的概念设计原则,利用经典的地面力学理论和车辆设计方法构建了月球车悬架设计的概念设计方法.最后利用该方法设计并提出一种新型的月球车悬架构型.通过仿真和实验验证:设计的悬架能够满足设计要求以及概念设计方法的合理性和有效性.