由于大型渠道断面大、渠坡长,渠基冻土沿坡长方向的切向冻胀及衬砌板的冻缩变形不可忽略,该文把大型渠道衬砌板的冻胀破坏视为两者共同作用的结果,结合冻土的Winkler弹性地基假设,并考虑冻土冻胀变形的双向冻胀差异,提出一种开放系统梯形渠道衬砌板法向和切向冻胀力的计算方法及内力计算公式。基于弹性地基理论推导了衬砌板的冻缩应力表达式,并由迭加原理提出大型混凝土梯形渠道衬砌板的抗裂验算方法。以甘肃靖会灌区某梯形渠道为原型,分析了衬砌板各截面内力和冻缩应力的分布规律,进而确定了各截面最大拉应力的分布规律及危险截面位置。对综合考虑冻土双向冻胀和衬砌板冻缩及仅考虑法向冻胀的2种情形进行对比分析表明,基于前者的衬砌板最大拉应力为2.134 MPa,而基于后者计算的相应值仅为1.494 MPa,与前者相比偏小、偏不安全。因此,在大型渠道的抗冻胀设计中建议综合考虑冻土双向冻胀和衬砌板冻缩变形的影响。

根据季节冻土区工程冻土力学模型试验的特点,研制出一套能够在低温实验室开展冻土力学模型试验的冻土力学模型试验台。该装置为全钢结构矩形箱体,由主体结构和附属结构组成。主体结构为保温箱体结构,主要由侧壁面板、反力梁、底板和箱体外侧保温系统组成;附属结构由底板温度控制系统、补水系统、加载系统,以及数据采集与处理系统组成。该装置在冻融模型试验中应用的结果表明,该装置能够满足冻土力学模型试验的要求,为更好的开展季节冻土区工程冻土及建筑物的冻害防治技术研究提供了先进的试验平台。

我国北方等干旱寒冷地区,渠道渗漏现象非常严重。研究表明渠道的渗漏破坏主要由冻胀造成的。根据已有的研究资料,整理得出冻胀破坏的机理主要有这几个方面:(1)水结冰对混凝土板的破坏;(2)渠道基土对混凝土板的冻融破坏;(3)混凝土板的冻融破坏。还基于王正中教授提出的渠道冻胀破坏模型,进行局部修正,考虑渠道水的影响。另外,对于渠坡板上升,导致渠脚渗漏,从而加剧冻胀破坏,这一因素本文也将考虑,并提出防渗验算的公式。

为模拟基于二级半转机构的月球车的单轮腿机构在整车条件下的受压状态以提高其在平地行走、爬坡、侧倾3种工况下的实验准确性,笔者以月球车整车及其单轮腿机构为研究对象,分别建立了它们在3种工况下的静力学模型,讨论了进行爬坡和侧倾工况下实验时的最大爬坡角度和最大侧倾角度。基于MATLAB软件对单轮腿机构在3种工况下所受的整车压力进行了仿真分析并给出了3种工况实验时进行压力加载的数据曲线图。仿真结果表明了3种工况下跨步杆跨步运动和地面坡度的变化对单轮腿机构所受整车压力的影响。

以基于二级半转机构月球车为研究对象,对月球车进行了静力学分析。建立了月球车在平地行走和爬坡行走的力学模型,并结合正向运动学分析结果,对月球车所受地面支持力进行了仿真分析,给出了月球车所受支持力随驱动轮腿电机转角和斜坡坡度角的变化曲线图。仿真结果表明,月球车在爬坡行走过程中,摩擦因数不能大于0.9。

为了给月球车的车轮构型设计、动力学分析和模拟仿真提供车轮转向力学参考,基于地面力学理论,分析了车轮原地转向时底面的剪切特性,以及端面和纵向的推土特性,建立了转向阻力矩与松散沙土力学参数及车轮参数间的定量关系。通过分析转向阻力矩与车轮半径和宽度的理论关系,证明车轮宽度对转向阻力矩的影响程度更大。在月球车车轮运动性能测试系统上对3种尺寸的圆柱车轮进行了原地转向实验,验证了利用该理论模型预测车轮原地转向阻力矩的可行性。

为了给月球车的车轮构型设计、运动控制、模拟仿真等提供理论参考,基于地面力学理论,提出鼓形车轮下陷量判断方法,研究了其转向时轮-地接触的剪切特性与推土特性,并建立鼓形车轮原地转向的力学模型。理论分析表明:转向阻力矩随轮缘半径的增加而呈渐近线性增加。轮缘半径越小,车轮的转向阻力矩越小,使鼓形车轮较圆柱车轮具有更好的转向灵活性。利用月球车车轮运动性能测试系统对2种轮缘半径的车轮进行了原地转向实验,实验结果表明了该理论模型的正确性。

基于车辆地面力学中土壤的承压、剪切特性以及土力学中被动土压力理论,建立了月球车刚性车轮在松软土壤上前进和转向的轮地作用力学模型;通过数值计算,分析了土壤参数变化及车轮运动滑转率变化对挂钩牵引力、驱动力矩和转向力矩的影响;设计了一套车轮性能参数测试系统,对所设计的一种刚性车轮在松软土壤上运动的力学特性进行了初步的实验测试,并与所建立的力学模型进行了验证分析.

假定冻土粘塑性微元损伤符合修进的莫尔-库仑准则,损伤变量服从Weibull随机概型分布;基于热力学原理和统计损伤理论,通过推导得到了相关联流动法则下的蠕变损伤耦合本构方程。为了便于研究冻土蠕变和损伤的耦合作用,将提出的本构模型,通过用户子程序嵌入到有限元程序中。最后,对冻土中桩基承载力模型试验进行了数值模拟,结果表明:基于统计损伤理论的冻土蠕变本构模型能较好的模拟冻土蠕变变形的全过程,并且与实测蠕变变形十分吻合,该模型对冻土结构物长期稳定性分析和工程预测具有重要参考意义。

月球车车轮的结构特征及其与土壤相互作用的力学特性对月球车的运动性能有着重要的影响.文中研制了一种具有抗侧滑特性的月球车不等径刚性车轮.基于车辆地面力学中车轮与土壤间的承压、剪切特性理论,提出了该不等径刚性车轮与松软土壤上滚动作用的修正模型,并采用迭代算法对车轮外形参数与力学特性参量的相互关系进行了计算和对比分析.利用Reece强制滑转原理设计了一套实验装置,进行了不等径刚性车轮在松软土壤上滚动的力学特性参量测试,验证了所建立模型的正确性.