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深海着陆车履带结构设计及运动性能仿真分析

张硕  
【摘要】:深海拥有十分丰富的资源,是地球上唯一未被人类充分利用开发的区域。党的十九大提出“坚持陆海统筹,加快建设海洋强国”的海洋发展战略,而深海探测装备是进行深海探测的重要手段。深海着陆车能够进行海底大范围移动探测、定点位精细考察以及强负载作业,为深海探测提供了一种有效的手段,已经逐渐成为多个国家争相研制的深海探测装备。深海着陆车相较于传统深海探测装备所呈现出的通过性强、易于操作、制造成本较低、海底探测作业能力强等优势主要得益于其所配备的履带行走机构,而履带行走机构中履带的结构参数将对深海着陆车的运动性能产生十分重要的影响。为提高深海着陆车在海底作业时的动力性和经济性,本论文在分析了履带与地面之间相互作用关系的基础上,采用多体动力学仿真技术,开展了履带结构参数对深海着陆车运动性能影响的研究。本论文的主要工作及贡献包括:首先,基于当前我国海洋强国的发展战略,分析了深海探测装备对深海探测的必要性,并对深海着陆车国内外研究现状及发展历程进行了概述,同时对国内外关于履带结构的研究现状进行了阐述,分析和总结了当前深海着陆车履带行走机构所面临的主要问题,进而提出对履带结构进行研究的目的及意义。其次,分析了履带与地面之间的相互作用力。对车辆地面力学的发展历程及履带式车辆与地面相互作用的承压及剪切模型进行了概述,并在此基础上对深海着陆车单履刺剪切深海稀软底质所产生的推动力进行了力学分析和公式推导,进而定量说明履刺高度和履刺间距对深海着陆车运动性能的影响,为履带结构设计提供理论依据。再次,依据深海着陆车的功能需求和设计指标,以履带相互作用力学理论和履带式车辆底盘设计原理为基础,对深海着陆车履带行走机构各部件进行了初步的选型和设计,并以此为依据,进行深海着陆车动力学仿真模型的创建。其中包括车身关键部件和履带行走机构仿真模型的建立以及深海着陆车在海底工作时的约束、摩擦、接触、水动力和地面等仿真所需要的参数和环境的设置。最后,分析了履带结构参数对深海着陆车运动性能的影响。以履刺高度和履刺间距为自变量,以深海着陆车的行驶滑转率和驱动轮驱动力矩为评价指标,分别对不同履刺高度及履刺间距参数下深海着陆车在平直路面行驶工况下进行动力学仿真研究,确定最佳的履刺高度和履刺间距,再将最佳履刺高度及间距进行结合再次进行仿真分析,验证其在直线行驶、爬坡及越沟工况下的运动性能。仿真结果表明,履刺高度选择为15cm左右、履刺间距选择为20cm左右时,所设计深海着陆车拥有较好的运动性能,可以兼顾行驶时的动力性和经济性。综上所述,本论文针对所研制深海着陆车的功能需求及设计指标,以车辆地面力学理论和履带式作业装备底盘设计原理为基础,对深海着陆车履带行走机构各部件进行了选型及初步设计,并通过建模仿真来分析履带结构参数对深海着陆车运动性能的影响,进而确定最佳的履带结构参数,为深海着陆车履带行走机构的结构设计提供参考。


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