基于火星车牵引性能的石块粒径划分研究.pdf
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1、 年 月第 卷第 期西 北 工 业 大 学 学 报 :收稿日期:作者简介:杜江山(),北京交通大学硕士研究生,主要从事轮壤接触动力学研究。通信作者:黄铁球(),北京交通大学副教授,主要从事机械多体动力学研究。:基于火星车牵引性能的石块粒径划分研究杜江山,黄镕敏,黄铁球(北京交通大学 机械与电子控制工程学院,北京)摘 要:针对简化火星车刚轮与球形石块在混合地形上接触的动力学求解问题,提出了一种基于火星车牵引性能的石块粒径划分模型。石块软土混合地形上,石块受载沉陷,其运动状态会影响火星车刚轮的牵引性能。依据石块对刚轮牵引性能的影响效果不同,将石块划分为 种类型。根据 承压模型计算刚轮静沉陷,提出刚
2、轮滑动沉陷计算公式和石块沉陷计算公式,根据石块和刚轮沉陷量确定石块类型。最后将滑转率为,时的 种石块分别代入单轮仿真平台和土槽实验平台进行仿真和实验。结果显示:混合地形上,种滑转率下的固定石块的仿真和实验结果误差小于,可移动石块的仿真和实验结果中的挂钩牵引力误差超过,散布小石块仿真和实验结果误差小于,验证了石块粒径划分模型的有效性。关 键 词:石块软土混合地形;石块粒径;牵引性能;刚轮;火星车中图分类号:文献标志码:文章编号:()火星表面石块广泛分布于沙丘、河谷、高山等地形。在风化作用、昼夜温差、外力撞击等多种物理因素的共同作用下,软土表面岩石会破裂成尺寸不同的碎石块。火星表面博纳维尔环形山附
3、近,以直径小于 颗粒为主的土壤覆盖整个平原,颗粒(直径 )和卵石(直径 )覆盖其上。与纯软土和纯石块地形相比,火星车在石块软土混合地形上运动的牵引性能状况可能更加复杂。和 对火星表面石块的分布频率进行了数理统计,认为研究石块大小及分布特点对描述和量化火星车的“潜在危险”起到重要作用,并依据 着陆器所在着陆点石块的大小频率分布,提出了指数曲线拟合模型。为分析火星石块的结 构 情 况,、和,和 分别对石块的形状特点及角度类别进行了研究。石块形状包括盘形、类盘形、球形、类球形和棱柱形,角度类别有大角度、小角度、亚棱角、近圆形、圆形。通过分析火星表面石块图像,等对石块的凸起、凹坑、多节、光滑、纹理等进
4、行了表征。和 对受风力侵蚀的岩石进行了研究,提出依据自然环境中受风力侵蚀石块的外形形状,可以将石块分为 种:具有风切面或刻面的岩石、具有抛光或刻蚀表面的岩石以及具有凹痕的岩石。北京邮电大学赵静等总结前人研究成果,对火星岩石数量、形状及裸露情况进行了分析,提出石块在土壤上的相对位置有 种:完全埋没、部分裸露和全部裸露。考虑石块对火星车机械结构及牵引性能的影响,在 户外试验场为模拟火星石块及软土地形,设置了多种模拟工况。为预测火星车与石块软土混合地形接触时的牵引性能,需要对轮地接触模型进行分析。北京交通大学翟广龙和黄铁球提出地形刚度法,分析了刚轮与硬地面软土混合地形的接触,并得出某些情况下,石块相
5、比软土在一定程度上可以提高火星车的牵引性能的结论。等采用多边形接触模型()求解刚轮与固定石块接触问题,采用土壤接触模型()法求解刚轮与软土接触问题。哈尔滨工业大学焦震对月球车与月壤岩石的接西 北 工 业 大 学 学 报第 卷触过程进行分析,从实验角度解释了刚轮石块接触的摩擦机理。为模拟火星表面土壤、基岩与车轮的相互作用情况,建立充气轮胎土壤有限元模型,并分析了充气压力对不同土壤的影响。等使用离散元方法建立了火星车与土壤的相互作用模型。半经验法中常用的轮土接触模型为 模型和 模型,轮石接触模型为非线性弹簧阻尼模型和库伦摩擦模型,种模型联合求解火星车刚轮与固定石块软土混合地形相互作用的方法已经得到
6、众多研究者的认同。火星车在星球表面运动,石块的尺寸、裸露状态、负载情况都会影响车轮与石块软土混合地形接触时的牵引性能变化。因此,若根据石块对刚轮牵引性能的影响不同对石块进行划分,可以降低实际求解刚轮石块软土接触力和力矩的复杂程度。首先,根据石块对刚轮牵引性能的影响不同,将石块划分为 种类型。提出区分球形石块 种类型的粒径划分模型,由石块和刚轮沉陷得到石块沉陷比,之后确定石块类型。其次,搭建单轮仿真平台,编制轮石壤接触仿真程序。由石块粒径划分模型计算得到不同滑转率下的 类仿真石块,代入单轮仿真平台进行刚轮与石块软土接触仿真,同时在相同条件下进行土槽实验。最后,通过分析仿真和实验中轮石接触力和力矩
7、的相对误差,验证石块粒径划分模型的有效性。刚轮石块软土接触模型 软土模型如图 所示,火星车刚轮在软土上运动,采用 模型作为刚轮软土计算模型。图中,为前进速度,为载荷,为转动阻力矩,为挂钩牵引力,为进入角,为离去角,为最大应力角。若忽略土壤反弹,离去角 为零。为土壤压缩量,为 土 壤 反 弹 量。刚 轮 软 土 压 力 沉 陷模型 ()()式中:为土壤压力;为土壤黏聚变形模量;为土壤摩擦变形模量;为轮宽;为土壤沉陷量;为土壤变形指数。轮下剪切应力公式采用 应力计算公式。支持力、转动阻力矩、挂钩牵引力计算公式为图 刚轮与软土接触 ()()()()()()式中:为刚轮有效半径;(),()分别为进入角
8、和离去角区域对应的土壤正应力和剪应力。石块模型当火星车在石块上运动时,两者相互作用的支持力和摩擦力如图 所示。图 刚轮与石块接触刚轮与石块接触的支持力采用非线性弹簧阻尼模型计算 ()式中:为刚轮与石块的接触刚度;为刚轮在石块上的穿入深度;为接触变形指数;为黏滞阻尼系数;为刚轮在石块上运动时的法向速度。附着力采用库伦摩擦模型计算,由于刚轮在石块上运动的压实阻力为零,附着力等于挂钩牵引第 期杜江山,等:基于火星车牵引性能的石块粒径划分研究力,即 ()式中:为刚轮与石块之间的支持力,由()式计算;为轮石之间的摩擦因数。转动阻力矩为()石块粒径划分 石块类型划分为了简化刚轮与混合地形接触分析的复杂程度
9、,采用更加简便的分析方法进行求解,所以将石块进行类型划分。根据石块对刚轮牵引性能的影响不同,将石块划分为 种类型:固定石块;可移动石块;散布小石块,如图 所示。为支持力,为摩擦力,为石块给车轮的力,为软土给车轮的力,为软土给石块的力。实验中,刚轮与 种石块的接触状况不同,导致石块对刚轮牵引性能的影响效果不同,因此对应的求解方法也不同。刚轮与固定石块的接触一般采用非线性弹簧阻尼模型和库伦摩擦模型进行联合求解,无需考虑石块运动。刚轮与可移动石块的接触不仅需要考虑石块对刚轮力和力矩的作用,而且需要考虑石块受载后与刚轮相对位置的变化关系。对于散布小石块,单个小石块对轮壤接触力和力矩的影响较小。在某些情
10、况下,可以忽略其对于刚轮牵引性能的影响。图 石块类型 石块粒径划分模型由 节分析可知,石块受载后的运动状态会直接影响刚轮牵引性能,因此可以作为划分石块类型的重要依据。为此,提出球形石块软土混合地形上的石块粒径划分模型,具体分析过程如下所述。对于未受外力干扰软土的压力沉陷关系,提出承压模型()()式中:为刚轮载荷;为刚轮的有效接地面积,的含义同()式。由()式得到土壤静沉陷量()()刚轮在软土中运动一般会出现滑转沉陷,因此根据实验结果,提出考虑刚轮滑转的沉陷量修正公式()()将()式代入()式,得到总沉陷量()()()式中:为滑转率,;为滑转率修正系数。石块下方软土的承压特性和相对密实度与未受外
11、力干扰的均质土壤不同。为了描述石块下软土的压力沉陷关系,基于实验拟合结果,提出石块沿纵向沉陷的载荷沉陷计算公式()()式中:为石块的外加载荷;为石块接地区域的投影面积;为石块沉陷量;为石块沉陷指数;和为修正系数。其中 ,()将石块和刚轮在软土上的沉陷做比,得到石块西 北 工 业 大 学 学 报第 卷沉陷比 ()()()式中:为修正系数;石块沉陷比 。模型考虑了石块尺寸、裸露状况、土壤性质、受载载荷等变量。沉陷比越大,石块类型更接近散布小石块;越接近,石块类型更接近固定石块。将石块沉陷比代入图 中判断石块类型。如图 所示,为石块节点系数,其值由实验和仿真分析要求确定。值得指出:该石块类型是相对概
12、念,不是绝对概念,得到的石块类型一般是对应所参与计算的软土和刚轮。图 沉陷范围 程序实现为验证石块粒径划分模型的有效性,将由石块粒径划分模型计算得到的石块代入单轮仿真平台进行刚轮与混合地形接触的相互作用力 力矩的仿真。为此,利用多体动力学软件 的二次开发功能,搭建了单轮仿真平台。使用六向力 力矩 单元模拟土壤对虚拟车轮的支持力,挂钩牵引力以及转动阻力矩。采用 单元控制刚轮运动的前进和转动速度,保证刚轮运动过程中的稳定滑转率,如图 所示。图 单轮仿真平台为区分刚轮与石块、软土接触的状态,将刚轮沿轮宽方向划分轮片,判断轮片与软土、石块的接触状态,求解软土及石块对轮片的力和力矩,最后矢量相加获得整个
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- 关 键 词:
- 基于 火星 牵引 性能 石块 粒径 划分 研究
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