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月球探测车摇臂悬架设计参数优化与折展实验研究

李所军

   月球探测车是对月球表面实施探测的重要工具。悬架是探测车的关键部件,它连接着车体和车轮,承受车体的重量载荷,针对悬架来开展月球探测车关键技术的研究具有重要的理论和工程意义。摇臂悬架结构简单,且在Sojourner和MER火星探测车中得到成功应用,因而一直是研究的重点。本文选择该悬架为研究对象,从提高月球探测车展开状态的移动性能、悬架轻量化设计、缩小探测车发射状态的体积三个方面对展开摇臂悬架设计参数优化、结构拓扑优化及折叠悬架的折展实验进行研究。 悬架设计参数对探测车移动性能影响较大,通过悬架设计参数的优化可提高探测车的综合移动性能。基于月球表面地形特征,给出了与探测车典型运动工况相对应的移动性能评价参数。在对摇臂探测车简化的基础上,给出了摇臂悬架设计参数的两种表示方法。针对探测车运动时质心不断变化的问题,计算了探测车的质心域。通过对摇臂探测车的抗倾翻性、几何通过性和移动平稳性分析,建立探测车移动性能的参数模型,得到了以悬架设计参数表示的探测车移动性能评价参数。 基于探测车移动性能参数模型,以探测车越障工况时电机的最大输出功率、崎岖工况时车体的垂直位移和俯仰角为多目标函数,以抗倾翻性能和几何通过性能为约束条件,建立了悬架设计参数优化的数学模型,利用序列二次规划法(SQP)进行了悬架设计参数的优化,得到展开状态摇臂悬架的最优参数,通过对悬架初始值和最终设计值时目标函数的对比分析,验证了悬架设计参数优化对提高探测车移动性能的有效性。 基于悬架轻量化设计,以最小柔度和最大固有频率为目标,体积分数为约束条件,利用变密度法,对悬架进行静力学、动力学及动静联合结构拓扑优化,得到了悬架最优拓扑结构。选取体积分数为0.2的拓扑优化结果,确定展开状态下摇臂和摆杆的结构尺寸,通过有限元分析,验证结构的合理性。 针对探测车工作状态体积与发射状态之间的矛盾,根据可折叠悬架展开的特点及设计要求,进行了摇臂悬架的方案设计。通过模糊综合评价确定综合性能最优的折叠方案,在此基础上,设计了一种新型弹簧驱动的折叠摇臂悬架,并进行了悬架展开过程的动力学分析和折叠状态和展开状态的折叠悬架进行了前4阶模态对比分析。分析结果表明,增大阻尼、车轮制动可使悬架展开时车体的加速度明显减小,悬架折叠后不但缩小了探测车的体积,而且固有频率大大提高。 最后加工了一套可重复折叠展开的1:2原理样机,进行了悬架折展实验,包括折叠和展开功能实验、悬架展开过程中加速度测试实验、振动试验三个方面。实验结果表明,悬架展开功能满足要求,验证了结构设计的合理性;悬架展开过程中加速度变化与仿真结果一致,悬架折叠状态的固有频率大于对应展开状态的固有频率,与有限元仿真分析结果吻合较好。……   
[关键词]:摇臂探测车;悬架;参数优化;结构优化;动力学分析
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:哈尔滨工业大学2010年
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