月球车车轮与土壤作用的力学特性分析与测试系统设计

月球探测具有重大的经济和军事意义,世界上很多国家对此展开了深入的研究。进行月球着陆探测,一辆性能优异的月球车是必不可少的装备。月球车的运动性能在很大程度上取决于月球车车轮的运动与力学性能,因而对此进行深入研究就显得非常重要。目前,国内一些高校和科研院所研制了多种不同的月球车及车轮的原理样机,但是对这些车轮与土壤或月壤相互作用的力学特性的分析与测试的报道还较少,本文将基于地面力学和土力学的相关理论对刚性车轮与土壤相互作用的力学特性和测试方法进行了深入的分析和研究,并设计一套月球车车轮性能测试系统。 根据Bekker半经验法的基本思想,将土壤的力学特性分解为水平方向的剪切特性和竖直方向的承压特性,阐述了地面力学中常见的土壤的承压、剪切等力学模型,并引入了朗肯被动土压力理论,为建立车轮在松软土壤中前进和转向的力学模型奠定了基础,同时进行了实验土壤的剪切实验,测量了土壤的内聚力和内摩擦角等参数。 基于地面力学中的Bekker承压模型和Janosi剪切模型,建立了一种月球车车轮在松软地面上前进时的力学模型,根据被动土压力理论,建立了该车轮在转向时的力学模型,给出了所建方程及模型的数值解法。 设计了测试车轮性能的简易实验装置,利用该装置测试了车轮在实验所用土壤上运动的部分力学性能参量,并与理论计算值作了比较,验证了所建的车轮前进和转向时的力学模型的正确性。 为了进一步研究分析月球车车轮的力学性能,本文设计了一套月球车车轮性能测试系统,完成了该系统的机械结构设计及数据采集系统的设计,讨论了其中涉及的一些关键技术。