深空巡视探测器弹性车轮设计与性能分析

发布时间：2017-07-17 15:08

  本文关键词：深空巡视探测器弹性车轮设计与性能分析

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【摘要】：巡视探测器是深空探测的主要平台和载体,要求其应具有良好的机动性、通过性、稳定性与平顺性,使之能够顺利通过松软颠簸的星球(月球或火星)表面,而车轮作为与星球表面直接接触的部件,也是移动系统最关键的部件。针对表面复杂的环境状态,研制通过性优良并具有优异减振性能的弹性车轮,对巡视探测器移动系统设计与路径规划十分必要。本文以工程仿生学原理为基础,进行弹性车轮的仿生设计,并进行性能分析,以期为我国深空巡视探测器弹性车轮的设计提供新的思路和设计方法。本文选取松塔作为弹性车轮仿生设计的生物原型。利用电子称、游标卡尺等测量工具对松塔结构进行宏观测量分析。获得松塔高度、质量以及最大外径之间的关系,揭示了松塔鳞片结构、果核顶角以及松塔底部螺旋线的变化规律。运用高速摄像机和压缩试验机分别对松塔进行跌落试验和压缩性能测试,分析了松塔三种典型状态下的弹性变形特性,并探讨了松塔鳞片结构对其变形特性的影响。基于结构仿生学原理,结合松塔结构,选取松塔整体形貌、开放式结构、鳞片分布结构、底部特征形貌以及半展开形貌结构特征作为仿生设计参考因素,分别设计相应的仿生弹性车轮。利用三维建模软件CATIA构建各车轮结构模型,利用Hypermesh和ANSYS软件对所设计的弹性车轮进行初步静力学分析,最终选择半展开状态形貌车轮为仿生模型。利用有限元软件模拟分析弹性车轮轮片厚度、平行间距以及斜角间距对于弹性车轮形变、应力以及刚度的影响。考虑到存在重复建模,利用CATIA的参数化建模功能实现车轮三维模型的建立,仿真结果表明随着轮片厚度的减小,车轮形变和应力增大,刚度减小;随着平行间距以及斜角间距的增大,车轮形变和应力增大,刚度降低,其中厚度的变化对轮片性能影响最为明显。利用有限元软件模拟分析弹性车轮在三种典型状态(无地面约束、有地面约束及有预应力的地面约束)下的车轮模态特性。结果表明在三种状态下车轮的固有频率均随着模态阶数的增大而增大,且模态阶数越大,数值波动越小;车轮整体变形的趋势随着阶数增大呈现出波动递增趋势。分析轮片在无地面约束和有地面约束两种状态下,轮片材料的弹性模量对于车轮模态特性的影响。结果表明,两种状态下车轮的固有频率均随着车轮材料弹性模量的增大而增大,且材料特性的变化对于车轮振动振型影响较小,主要影响车轮的振动幅度。本文对仿生弹性车轮的分析,以期为后续弹性车轮设计研究提供基础与参考。
【关键词】：巡视探测器 弹性车轮 结构仿生 松塔 ANSYS
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V476
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-33
• 1.1 研究意义和背景11-12
• 1.2 巡视探测器移动机构研究现状12-14
• 1.2.1 轮式移动系统12
• 1.2.2 腿式移动系统12-13
• 1.2.3 轮-腿式移动系统13
• 1.2.4 履带式移动系统13-14
• 1.3 车轮构型研究概况14-29
• 1.3.1 国外研究现状14-25
• 1.3.2 国内研究现状25-29
• 1.4 滚动生物体研究现状29-31
• 1.5 课题来源及技术路线31
• 1.5.1 课题来源31
• 1.5.2 技术路线31
• 1.6 研究主要内容31-33
• 第2章 仿生原型选择及其特性研究33-53
• 2.1 松塔形貌分析33-39
• 2.1.1 整体构成33
• 2.1.2 形态量化分析33-39
• 2.2 松塔跌落弹性实验与分析39-49
• 2.2.1 鳞片展开形态39-49
• 2.3 松塔承压特性研究49-51
• 2.3.1 承压实验49-51
• 2.4 本章小结51-53
• 第3章 基于松塔结构的弹性车轮仿生设计53-65
• 3.1 仿生参数及其模型参考53
• 3.2 仿生车轮模型设计53-61
• 3.2.1 基于松塔整体形貌车轮设计53-55
• 3.2.2 基于松塔开放式结构车轮设计55-56
• 3.2.3 基于松塔鳞片结构车轮设计56-57
• 3.2.4 基于松塔底部形貌车轮设计57-59
• 3.2.5 基于半展开状态形貌结构车轮设计59-61
• 3.3 仿生车轮有限元模型建立61-64
• 3.4 本章小结64-65
• 第4章 仿生弹性车轮静力学分析与研究65-85
• 4.1 模型初步仿真模拟及最终模型选择65-72
• 4.1.1 车轮结构非线性静力学分析65-70
• 4.1.2 仿生弹性车轮结构选择70-72
• 4.2 车轮简化设计模型验证72-74
• 4.3 车轮的轮片参数变化对于车轮性能的影响74-83
• 4.3.1 厚度对车轮性能影响75-77
• 4.3.2 平行间距对车轮性能影响77-79
• 4.3.3 斜角间距对车轮性能的影响79-83
• 4.4 本章小结83-85
• 第5章 仿生弹性车轮模态分析85-95
• 5.1 模态分析理论基础85-86
• 5.2 典型状态下车轮的模态分析86-90
• 5.2.1 无地面约束86-87
• 5.2.2 有地面约束87-89
• 5.2.3 有预应力的地面约束89-90
• 5.3 车轮材料特性对于车轮模态的影响90-94
• 5.4 本章小结94-95
• 第6章 结论与展望95-97
• 6.1 主要结论95-96
• 6.2 研究展望96-97
• 参考文献97-105
• 攻读硕士学位期间科研成果、参与项目情况105-107
• 导师及作者简介107-109
• 致谢109-110

【参考文献】

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本文编号：554151