生物滚动减振机制及星球车弹性车轮仿生研究

The elastic wheels are the trends of development of wheels to be used in the planetary rovers. However, the study of elastic wheels faces challenges in theory, method and technology due to limitations in the environment, material, quality, strength and structure. In this project, a new elastic wheel is designed inspired by roiling and vibration reduction in nature. Firstly, the biological prototypes such as pinecones are selected according to similarity theory, and the mechanical performance of rolling and vibration reduction of prototypes is studied. Secondly, the elastic wheel is designed using the characteristic parameters, which decided rolling and vibration reduction of prototypes. Thirdly, the wheel performance of elastic wheels is simulated by finite element method, multi-body system dynamics and discrete element method, and then the bionic elastic wheels are optimized by Optistruct and ModeFrontier. Fourth, The sinkage, motion resistance and trust model for elastic wheel is built based on vehicle-terramechanics theory, and a new load-deformation equation of bionic elastic wheels are built according to tire dynamics and elastic mechanics theory, then the influence of structure, material, morphology and bionic parameter on the deformation of elastic wheel is revealed. Finally, the elastic wheel is validated and compared with rigid wheel by field model test. The project can provide references and theory for study on elastic wheel of Martian/Lunar rovers.

弹性轮是未来星球车车轮发展的趋势，但受到环境、质量、材料和结构等限制，使得弹性轮的研究在理论和技术上存在挑战。本项目在分析自然界中生物滚动和减振现象与原理的基础上，根据相似理论选择松塔等作为仿生设计的生物原型；提取决定其滚动和减振的特征参数，设计弹性仿生车轮。通过有限元法、离散元法和多刚体动力学对弹性轮的力学行为进行数值计算，并采用多目标分层优化策略对仿生弹性轮结构进行优化。根据车辆地面力学理论，结合土槽试验，建立弹性轮在松软星壤上的沉陷、滚动阻力和地面推力模型；根据轮胎动力学和弹性力学理论，结合动/静态负荷试验和仿真，建立弹性轮负荷模型，揭示弹性轮在不同方向作用力下的受力和变形响应规律，探讨仿生弹性轮的负荷理论。最后，通过模型车内场试验进行验证，分析所建的轮土模型和负荷能力模型的准确性和可靠性。项目研究可为我国火星/月球车弹性车轮的研究提供数据参考和理论依据。

弹性轮是未来星球车车轮发展的趋势，但受到环境、质量、材料和结构等限制，使得弹性轮的研究在理论和技术上存在挑战。项目选取松塔等作为星球车弹性车轮仿生设计的生物原型设计了6种仿生弹性轮，并采用弹性轮土力学模型推导、仿真计算和实物试验，对仿生弹性轮的结构、力学性能、通过性能、越障性能等进行了系统研究。.测量分析了松塔宏微观结构；试验研究了松塔弹性变形特性。基于结构仿生学原理，在对其结构和变形特性进行综合分析基础上，设计了6种仿生弹性轮。分析了仿生弹性轮变形特征，建立了弹性轮变形几何模型和弹性轮与星壤相互作用的静态承载模型，模型的平均相对误差为6.30 %；重点研究了弹性轮与星壤的相互作用关系，推导出了弹性轮与星壤相互作用模型：弹性轮挂钩牵引力模型、载荷模型、扭矩模型和动态沉陷模型。依据土槽试验数据对建立的模型进行了验证。试验结果表明：在载荷40 N、80 N和120 N条件下，载荷模型的均方根误差分别为17.61 %、9.51 %和28.27 %；挂钩牵引力模型的均方根误差分别为23.32 %、13.99 %和17.55 %；扭矩模型的均方根误差分别为10.87 %、6.50 %和4.76 %。利用弹性轮振动测试系统，研究了行驶参数对弹性轮垂向振动的影响。结果表明，随着速度的增加，垂向振动均方根加速度均呈先减小后增大趋势，最小值均出现在0.1-0.15 rad/s的角速度区间。功率谱密度峰值均随着速度的增大呈现先减小后增大趋势，与均方根加速度曲线趋势一致。基于离散元、有限元和多体动力学理论，研究了不同重力和载荷环境下弹性轮各项性能。仿真表明：不同重力工况下的沉陷最大差异为13.2%，平均差异为5.1%。此外，重力和载荷对弹性轮的驱动扭矩和挂钩牵引力均有显著影响。.另外，项目部分研究成果已应用于我国载人月球车样车研制；发表论文19篇（SCI检索14篇，EI检索4篇）；申报发明专利12件；培养博士生2人，硕士生8人；参加国际会议3人次，国内会议6人次；综上，项目完成了任务书的所有内容，符合结题要求。