离散元模拟中沙土参数标定方法研究

农业机械与土壤相互作用仿真时,选用颗粒相互作用参数的准确度将直接影响仿真结果。本文提出一种通过试验与模拟相结合系统地标定沙土颗粒相互作用参数的方法。通过堆积角测试装置、三轴剪切试验仪、图像颗粒分析系统等设备测量计算沙土的堆积角、剪切模量、粒径分布和外观形貌等参数,为颗粒或工厂建模提供参考。使用标准球和非标准球对沙土颗粒的碰撞恢复因数、静摩擦因数、滚动摩擦因数进行标定。研究不同质量和不同标定方法(抽板法和漏斗法)是否对堆积角产生影响。模拟结果表明,选用标准球标定时,碰撞恢复因数是0.15,静摩擦因数是0.8,滚动摩擦因数是0.2,抽板法得到的堆积角是33.99°,相对误差是4.74%;漏斗法得到的堆积角是33.59°,相对误差是3.51%。同时,选用非标准球进行标定时,碰撞恢复因数是0.15,静摩擦因数是0.2,滚动摩擦因数是0.3,抽板法得到的堆积角是32.06°,相对误差是1.20%。由此看出,颗粒外观形貌对颗粒间静摩擦因数影响相对较大。

驯鹿足底非规则特征形貌数学模型构建及验证

为攻克常规防滑轮胎在冰面上通过性低的难题,以驯鹿足为仿生原型,对驯鹿足底特征形貌进行分析。该文通过逆向工程技术,将驯鹿足单个足底划分为内、外侧边缘曲线、脊线凹槽面和足跟凸冠面4个典型部位。运用1st Op软件和MATLAB软件对特征部位拟合并构建数学模型,利用X射线能谱仪对驯鹿足底特征部位进行元素分析。内、外侧边缘曲线方程的决定系数R^2分别为0.994、0.992;脊线凹槽面和足跟凸冠面曲面方程的R^2分别为0.96、0.98。通过模型验证发现,模型拟合值与实际值的相对误差均值在5%以下,实现了驯鹿足底特征形貌从生物模型到数学模型的转化。能谱分析结果表明驯鹿足底除含有大量的碳、氧及氮元素外,硫、硅、铁、铝、钙5种元素含量较高,并且不同部位的元素存在差别。该研究可为工程仿生技术应用于冰路面行驶车辆胎面设计提供新的研究方向和参考依据。

越沙步行轮仿生设计及动力学性能仿真

为提高车轮在沙土介质环境的通过性能,基于鸵鸟足趾结构形貌与运动方式,设计出一种仿生越沙步行轮。该步行轮通过轮脚中的定立柱和动滑块相互配合实现对轮下沙土的限流紧固功能,同时自适应带动轮刺机构进入附着牵引工作状态与离沙减扰非工作状态。采用多刚体动力学分析软件,预测了仿生越沙步行轮轮腿各部件之间的活动范围和干涉情况。采用离散元软件,分析了轮脚底面/沙土相互作用关系,验证了该仿生越沙步行轮具有良好的固沙限流、牵引附着性的特点。该研究为提高松软地面中步行机构的通过性能提供了参考。

轮面曲率半径对沙地刚性轮沉陷性能影响研究

轮面曲率半径对沙地刚性轮的沉陷性能影响至关重要。通过轮面承压试验、轮壤台架动态试验和离散元数值模拟分别对6种不同轮面曲率半径的平面、凹面和凸面沙地刚性轮在3种不同颗粒形状及粒径大小沙土上的沉陷性能进行分析。在轮面承压试验中,相比其他轮面曲率半径的车轮,平面轮在细径石英砂和粉尘状火山灰上的抗沉陷性能均最好。与其他沙土介质相比,粗径石英砂上所有轮面车轮的沉陷量最小。轮面承压模拟结果表明,平面轮下沙土颗粒的力场分布均匀,轮下颗粒溢出量小,有效说明平面轮沉陷量最小的原理。在细径石英砂轮壤台架动态试验中,凹面R80车轮在行驶初期(位移小于50 cm)沉陷量最小,行驶到稳定状态后(位移大于70 cm),凹面R60车轮的动态沉陷量最小;在粉尘状火山灰轮壤台架动态试验中,凹面R60车轮在整个运动范围内的沉陷量最小。因此,在细径石英砂和粉尘状火山灰上行驶过程中,轮面曲率半径较大的凹面轮的抗沉陷性能较好。此外,由车轮行驶在细径石英砂离散元模拟可知,凹面轮的受力区域集中在轮面两侧,轮面内凹结构可有效防止沙土侧向流动并减小对沙土的扰动。本文研究不仅为承压和行驶条件下不同曲率半径轮面的车轮在沙土介质上的沉陷性能判断提供参考依据,而且为沙漠或者深空探测车辆轮/胎的轮面结构设计提供重要理论依据。

火星巡视器鼓形车轮仿生设计与性能分析

以善于沙地奔跑的鸵鸟的二趾足为仿生原型,利用工程仿生学原理,设计一种高通过性的仿生越沙鼓形轮面车轮。以与火星壤近似的松软沙土为试验材料,利用车轮-土壤土槽测试系统,以轮辙、挂钩牵引力和沉陷量为试验指标,对仿生鼓形轮面车轮和普通轮面车轮的通过性能进行了对比分析。结果表明,当滑转率超过0.85时,普通鼓形轮面比仿生鼓形轮面轮辙的堆积现象明显,并且出现明显打滑空转现象。在相同试验条件下,当滑转率小于0.42时,普通鼓形轮面车轮的挂钩牵引力稍大于仿生鼓形轮面车轮,当滑转率大于0.42时,仿生鼓形轮面车轮的挂钩牵引力明显大于普通鼓形轮面车轮。仿生鼓形轮面车轮和普通鼓形轮面车轮的最大挂钩牵引力分别为11.6N和2.6 N。滑转率对于普通鼓形轮面车轮的沉陷量影响较小,沉陷量基本保持在约35 mm,而随着滑转率的增大,仿生鼓形轮面车轮沉陷量呈现缓慢增大趋势。

基于遗传算法的双足机器人足踝蹬地参数优化

为提高双足机器人步态的经济性,研究了足踝蹬地扭矩和蹬地时机对行走速度和能耗的影响。基于Matlab/Simulink建立了双足机器人仿真模型并搭建了控制程序,以行走速度为目标函数,利用遗传算法对不同步长下足踝蹬地扭矩和蹬地时机进行优化,以两腿间夹角确定步长。利用无量纲速度和无量纲能耗作为评价双足机器人运动性能指标,仿真结果表明,随着步长由40°增加到60°,机器人行走速度和能耗均随之增加。当步长为60°,蹬地扭矩为41 N·m,蹬地时机为整个步态周期的43.82%时,双足机器人行走速度最大为0.48,对应能耗为2.97。以速度能耗比作为评价机器人步态经济性指标,仿真结果表明,双足机器人在步长50°,蹬地扭矩为35 N·m,蹬地时机为步态周期的45.18%时,机器人步态的经济性更高,对应速度和能耗分别为0.43和2.26。机器人足底地反力出现3个波峰,当步长为50°和60°时,随着足踝蹬地阶段的出现,足底地反力出现第3个波峰,峰值分别为245.45 N和281.23 N。本研究可为双足机器人在特定步长下选取合适的蹬地参数提供重要参考依据。