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月球车轮壤系统仿真分析

刘琳琳  
【摘要】:“嫦娥三号”携带的月球车肩负着中国探月计划的重大使命。月球车在月面着落的时候,如何保证月球车在月面上稳定行驶,不打滑、不过分沉陷,是保证月球车顺利完成任务的前提,也是顺利实施探月计划的关键所在。考虑到月球车的着落点已经大致确定,则需要对月海区域各种月面情况下月球探测车的牵引通过性能进行研究。因此在地面环境下,对月球车的行驶性能进行分析至关重要。 月球车在月面上行走,其行驶性能跟月壤的状态有很大的关系。月壤的物理力学性质不同时,对月球车车轮产生的推力也不同,月球车的牵引通过性也不同。形成时间较久的月壤沉积现象比较明显,月壤较为硬实,而新风化形成的月壤较为松软。本文利用实验室研制的模拟月壤代替真实月壤,利用模拟月壤在松散、自然和紧实三种不同状态来模拟月壤不同状态。运用ABAQUS有限元软件仿真分析模拟月壤在三种状态下的车轮沉陷和牵引力,并将分析结果通过土槽系统进行验证。 利用实验室设计的月面-车轮土槽测试系统,测试了月球车在不同载荷、不同车轮和不同车轮滑转率下的牵引通过性能,以及月球车多次通过模拟月壤时的牵引通过性。试验结果表明较大垂直载荷下,车轮对模拟月壤的剪切破坏较大,月面推力较大,车轮沉陷也较大。三种类型车轮中相同垂直载荷作用下,18刺车轮的挂钩牵引力和沉陷量均最大,36刺车轮次之。随着模拟月壤压实次数的增加,车轮挂钩牵引力和车轮沉陷量均呈现线性增加的趋势。 模拟月壤紧实度不同,往往造成模拟月壤多个物理特性参数变化。在土槽试验的同时,运用MATLAB分析模拟月壤参数变化对车轮牵引性能的影响规律,主要包括车轮沉陷量、压实阻力、挂钩牵引力和推土阻力。运用MATLAB中的GUI界面设计了轮壤相互作用分析程序,更直观的展现影响规律。分析结果显示,在所有影响因素中内聚模量对车轮沉陷和压实阻力影响最为明显。沉陷指数对推土阻力的影响最大,模拟月壤沉陷指数增加33%,车轮的推土阻力就会减小80%,挂钩牵引力随着内聚力增加线性增加。 运用ABAQUS仿真分析了三种车轮分别在100N、200N、300N的垂直载荷作用下与模拟月壤的相互作用,模拟月壤分为松散、自然和紧实三种不同状态。通过分析得到车轮的挂钩牵引力和车轮沉陷,并将仿真结果与试验结果进行对比,对比结果显示车轮的挂钩牵引力和车轮沉陷值仿真结果与土槽试验所得结果最大差距为20.3%,说明应用有限元法仿真模拟车轮与月壤的相互作用是一种可行的方法。


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