研究在月球表面环境下行驶的月球车牵引性能,对保证其正常探测工作具有重要意义。以长白山火山灰为主要原料制备了应用于月面车辆力学试验中的模拟月壤,研制了月壤—车轮土槽测试系统,对有刺轮与光滑轮进行了牵引性能试验。试验结果表明,有刺轮的最大挂钩牵引力(DP)为光滑轮的5.2倍;当滑转率为10%时,有刺轮在硬路面上的DP为其在模拟月壤上的6.7倍。在此基础上,通过离散单元法(DEM)对驱动轮与月壤相互作用关系进行了细观分析,模拟出驱动轮下月壤颗粒的受力、位移、速度的分布规律及无牵引阻力条件下驱动轮的牵引性能。研究结果为月球车的性能评估和面向月球的高通过性行走机构研制提供基本方法和基础数据。
采用离散元软件PFC2D,对月球车驱动轮在不同力学性质月壤上的牵引通过特性进行了数值模拟。研究采用线性接触刚度模型,通过双轴试验反复调整颗粒细观参数建立月壤离散元模型,其物理力学性质与真实月壤相似。在相同试验条件下,模拟试验与土槽试验结果趋势一致;模拟试验结果表明,挂钩牵引力随颗粒间摩擦因数增加而增加,当摩擦因数在1左右时增加趋于平缓;挂钩牵引力随孔隙率增加而线性减少;挂钩牵引力随粒径分布(rmax/rmin)增加先增加,当粒径分布大于5后减小,挂钩牵引力随重力加速度增加而增加,在1/6地球重力条件下,滑转率20%时,驱动轮的挂钩牵引力约为地球重力时的77.3%。
对土壤颗粒与车轮进行接触判断,用投影变换和累积求和的方法,建立起颗粒间的细观力学作用与宏观车轮牵引参数的联系。通过两个算例验证了应用离散元法所得的结论与传统地面力学理论相一致,证实了离散元法在轮土交互分析中的可行性。进一步计算发现,车轮在月面重力下运行,下陷增加,阻力增大,逐渐失去牵引能力,月球车越障和爬坡将会变得困难。
在分析月球车轮与月壤相互作用的基础上,应用离散元软件PFC2D对月球车轮在月壤上的牵引通过性能进行了模拟研究。通过双轴试验调整离散元力学模型的细观参数,得到月壤离散元接触力学模型:其内摩擦角为42°,凝聚力为1.554kPa,泊松比为0.41,弹性模量为77.5MPa;通过颗粒与月球车轮接触的平均刚度,确定了车轮前进时的水平速度与沉降速度增量;在相同试验条件下,模拟试验与土槽试验的对比结果表明,两者趋势一致;有轮刺轮与光滑轮的牵引通过性能对比结果表明,在没有牵引阻力情况下,有轮刺轮滑转率为零,光滑轮滑转率为1.8%;当滑转率为10%时,光滑轮挂钩牵引力为7.71N,有轮刺轮挂钩牵引力为121.6N。
