基于鸵鸟足底形态特征的火星巡视器车轮仿生研究

发布时间：2017-08-10 20:33

  本文关键词：基于鸵鸟足底形态特征的火星巡视器车轮仿生研究

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【摘要】：本文基于鸵鸟足底特殊曲面在沙土中具有的优良的通过性能，研究其独特的形貌特征、曲面/沙土相互作用规律以及鸵鸟足在触地过程中两趾配合规律，并结合仿生学原理，利用工程仿生技术，设计了一种高通过性火星巡视器车轮结构，并对所设计的仿生车轮通过性能进行了探究。 利用三维激光扫描仪获取鸵鸟足的几何模型，结合逆向工程软件Geomagic Studio对几何模型进行处理，把鸵鸟足底曲面划分为第Ⅲ趾底曲面的前掌缓曲面、中间凹槽面和足跟凸冠面以及第Ⅳ趾底曲面四个鸵鸟足底特征区域，并利用EDEM离散元软件和有限元软件对鸵鸟足底曲面静态下压数值模拟和足底曲面形变分析，探索了鸵鸟足底曲面固沙限流防滑移机理[1]。结果表明：鸵鸟足底曲面下沙土颗粒流动程度沿足宽方向大于沿足长方向，表明鸵鸟足底曲面形貌更好地减缓了鸵鸟足在沙地上的前行滑移程度。在鸵鸟足多曲面结合形貌中，，第Ⅲ趾底中间凹槽面固沙限流效果最好，此区域的沙土颗粒群受力呈现网格状稳态紧固分布。 结合逆向工程软件Geomagic Studio、三维设计软件Catia中的数字化设计模块点云过滤功能以及MATLAB软件的曲面拟合功能，对鸵鸟第Ⅲ趾足底三个典型曲面及第Ⅳ趾底曲面进行数学建模，实现把鸵鸟足由生物模型向数学模型的转化，并得到第Ⅲ趾底曲面的前掌缓曲面、中间凹槽面和足跟凸冠面以及第Ⅳ趾底曲面的数学方程分别为： Z=428.2+1.26x+2.317y+0.0066x2-0.00023xy+0.01735y2，R2=0.9485； Z=340.7-2.208x+3.016y-0.017x2+0.0009xy+0.04339y2，R2=0.9607； x2/47.47082+y2/30.18522+(z+70)2/702=1，R2=0.95； Z=307.2+0.28x+1.081y+0.003587x2-0.0009xy+0.0213y2，R2=0.953。 根据鸵鸟足第Ⅲ趾底三个典型曲面的曲面特征及连接方式，结合越沙轮本身结构特点和越沙机理，利用仿生学原理，在大型三维设计软件Catia中设计出仿生越沙轮轮面。并加工成实物模型，利用精度较高的车轮/土壤土槽测试系统，从车轮的轮辙、挂钩牵引力和滑转率等方面来研究仿生鼓行车轮和普通鼓形轮的通过性能。并借助大型离散元软件PFC，建立与实际参数一致的土槽轮壤系统，将设计的仿生轮导入进行动态仿真模拟，研究仿生轮面的挂钩牵引力、抗沉陷能力等越沙性能，与车轮/土壤土槽结果对照。试验和仿真模拟结果表明，在相同条件下，仿生鼓形轮面的牵引性能较普通鼓形轮面提高3倍左右。 采用高速摄像系统并结合Simi Motion运动分析软件，对鸵鸟足在不同角度的侧斜坡路面上慢跑时单脚从触地到离地这段时间内，第Ⅲ趾和第Ⅳ趾夹角的变化规律进行探究，以寻求第Ⅳ趾与沙土相互作用时的两趾最优配合角度。最后利用仿生学原理，把鸵鸟第Ⅳ趾形貌特征以及两趾最优配合角度应用在仿生轮面与仿生轮刺设计上，借助功能强大的Catia三维设计软件在仿生轮面缓曲面上设计出合理的仿生轮刺，并进行土槽实验，研究其牵引和抗滑移性能。试验证明，在试验条件相同的情况下，设计有仿生轮刺的仿生巡视器车轮比不加轮刺的仿生轮面的通过性能提高8.6%。
【关键词】：鸵鸟足底曲面 火星巡视器车轮 固沙限流 牵引通过性 工程仿生学
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V476.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-27
• 1.1 课题研究背景和意义12-13
• 1.2 火星及火星巡视器行走机构13-17
• 1.2.1 火星环境简介13-14
• 1.2.2 火星巡视器行走机构研究现状14-17
• 1.3 松软地面行驶机构研究现状17-20
• 1.4 鸵鸟及仿鸵鸟腿足机构20-25
• 1.4.1 鸵鸟简介20-21
• 1.4.2 仿鸵鸟腿足机构研究现状21-25
• 1.5 本文主要研究内容及研究方法25-26
• 1.6 本章小结26-27
• 第2章 鸵鸟足底曲面形貌越沙机理研究27-38
• 2.1 鸵鸟足底曲面形貌分析27-28
• 2.1.1 鸵鸟足整体结构27
• 2.1.2 鸵鸟足底外观形貌27-28
• 2.2 鸵鸟足底曲面三维几何模型28-30
• 2.2.1 三维数据点云获取28-29
• 2.2.2 三维几何模型建立29-30
• 2.3 鸵鸟足底曲面/沙土相互作用数值模拟30-36
• 2.3.1 模拟系统建立30-32
• 2.3.2 足底曲面与沙土相互作用分析32-34
• 2.3.3 鸵鸟足第Ⅲ趾底曲面对沙土作用细观模拟34-35
• 2.3.4 鸵鸟二趾足底曲面形变有限元分析35-36
• 2.4 小结36-38
• 第3章 鸵鸟足底非规则曲面形貌数学模型研究38-48
• 3.1 数学模型研究方法概述38
• 3.2 鸵鸟足底曲面模型重构及分割38-41
• 3.2.1 三维几何模型建立与分割39-40
• 3.2.2 典型数据点云及三维坐标获取40-41
• 3.3 鸵鸟足底曲面形貌的数学模型构建41-46
• 3.3.1 鸵鸟足第Ⅲ趾底中间凹槽面数学建模及分析42-43
• 3.3.2 鸵鸟足第Ⅲ趾底前掌缓曲面数学建模及分析43-44
• 3.3.3 鸵鸟足第Ⅲ趾底足跟凸冠面数学建模及分析44-45
• 3.3.4 鸵鸟足第Ⅳ趾底曲面数学建模及分析45-46
• 3.4 本章小结46-48
• 第4章 火星巡视器车轮轮面结构仿生设计及性能研究48-63
• 4.1 火星巡视器车轮轮面仿生设计48-51
• 4.1.1 仿生轮面设计思路48
• 4.1.2 仿生轮面单体的设计48-50
• 4.1.3 仿生轮面整体设计50-51
• 4.2 火星巡视器仿生车轮轮面土槽试验51-56
• 4.2.1 仿生车轮加工51-52
• 4.2.2 仿生车轮土槽实验52-56
• 4.2.2.1 试验过程53
• 4.2.2.2 试验结果分析53-56
• 4.3 火星巡视器车轮轮面离散元仿真分析56-62
• 4.3.1 离散元法及 PFC 理论56-57
• 4.3.2 仿生轮面在 PFC2D 中仿真分析57-62
• 4.3.2.1 系统模型验证57-58
• 4.3.2.2 鼓形轮壤二维仿真系统58-59
• 4.3.2.3 仿生鼓形轮面越沙性能数值模拟分析59-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第5章 仿生巡视器车轮结构设计63-74
• 5.1 巡视器车轮轮刺的仿生设计思路63-64
• 5.2 鸵鸟足运动过程二趾动态变化研究64-68
• 5.2.1 鸵鸟足运动试验外场搭建64-65
• 5.2.2 鸵鸟足运动试验数据采集65-66
• 5.2.3 鸵鸟足二趾配合规律分析66-68
• 5.3 巡视器车轮轮刺设计68-71
• 5.3.1 轮刺与轮面位置关系的确定68-69
• 5.3.2 轮刺单体在轮面上的设计69-70
• 5.3.3 轮刺在巡视器车轮上布局设计70-71
• 5.4 巡视器车轮土槽实验分析71-73
• 5.4.1 仿生轮刺的实物加工71-72
• 5.4.2 巡视器车轮土槽试验72-73
• 5.5 本章小结73-74
• 第6章 结论与展望74-76
• 6.1 本文研究内容总结74-75
• 6.2 展望75-76
• 参考文献76-81
• 导师及作者简介81-82
• 研究生期间发表论文及参与项目情况82-84
• 致谢84-85

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：652566