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沙地环境车辆仿鸵足步行机构的研究

作　者: 张四华
导　师: 张锐
学　校: 吉林大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 鸵鸟足 越沙贡献 沙地行走机构 牵引通过性 工程仿生学
分类号: U469.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


本文瞄准鸵鸟足良好的越沙特性，基于鸵鸟足结构形貌及运动性能，根据沙土环境特点，运用工程仿生学原理，对沙土环境行走机构进行研究，旨在提高其沙地通过性。通过鸵鸟足趾越沙贡献分析，并根据鸵鸟足越沙贡献机理设计了仿生自适应触沙机构，结合轮面结构对沙地刚性轮越沙通过性影响研究，研制了一种新型高通过性仿生越沙步行轮机构。采用宏观观察、微观表面测试以及高速摄像分析等研究手段，全面研究了鸵鸟足高速稳健越沙机理和影响因素，揭示了鸵鸟足二趾结构、二趾姿态、中拱结构、足四趾骨结构、足趾底面柱状乳突群以及足趾背鳞片与鸵鸟足越沙之间的关系；进行了鸵鸟足高速越沙运动方式研究，获取了鸵鸟足趾入沙、加速、高速制动等独特作用方式。基于鸵鸟足触沙方式与姿态，采用工程仿生学技术，优化设计了仿生自适应触沙机构。与沙土作用时，该触沙机构通过垂直荷载依次自适应改变触沙姿态，即触沙初始状态、承载中间状态和极限承载状态，达到对沙土进行内凹包络，限流固沙、防沉陷滑移及增大牵引附着的效果。通过仿生触沙机构入沙过程的离散元模拟分析，对照普通触沙机构，证实仿生触沙机构具有良好的越沙和承载性能。针对轮面结构对沙地刚性轮通过性影响分析，设计并加工了六种具有不同弧度的凹、凸和平轮面的车轮模型，进行三种粒径沙土条件下的静态沉陷试验与动态台架试验，对应试验条件完成了细粒径沙土环境下的细观离散元模拟。试验和模拟结果表明，轮面结构和介质特性均对沙地刚性轮的通过性能具有重要影响。在流动性好的细沙和粉尘介质中，平轮面车轮的固沙限流效果、抗沉陷性和牵引性均优于凹和凸轮面的车轮，表明平轮面车轮在流动性好的细沙中具有优越的牵引通过性。结合仿生自适应触沙机构与轮面结构研究，基于鸵鸟足趾结构形貌与运动方式，采用工程仿生学技术，根据沙土行走机构的设计指标，研制了一种新型仿生越沙步行轮机构。该步行轮轮脚通过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。利用多刚体动力学分析软件预测了仿生越沙步行机构中轮腿各部件之间的活动范围和干涉情况，并以平顺性为研究指标，优化设计了步行轮轮脚底板侧宽。采用离散元软件分析了轮脚底面/沙土相互作用关系，得到了仿生越沙步行轮的固沙限流机理，验证了步行轮良好的越沙效果。该仿生越沙步行轮兼顾了固沙、限流和高牵引附着性的特点，并具有良好的平顺性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-11
第1章 绪论  11-25
  1.1 引言  11-12
  1.2 沙地环境车辆行走机构研究现状  12-16
  1.3 车辆步行机构概述  16-18
    1.3.1 行走机构与步行机构的基本涵义  16-17
    1.3.2 各种行走机构工作性能  17
    1.3.3 步行机构工作特点  17-18
  1.4 松软地面仿生行走机构研究概况  18-21
  1.5 鸵鸟足运动特性研究现状  21-22
  1.6 本文主要研究内容  22-23
    1.6.1 课题来源  22
    1.6.2 研究内容  22-23
  1.7 本章小结  23-25
第2章 鸵鸟足结构形貌的越沙贡献  25-43
  2.1 鸵鸟足结构的越沙贡献分析  25-30
    2.1.1 足二趾结构  25-26
    2.1.2 足二趾姿态  26-27
    2.1.3 足跖趾关节中拱结构  27-28
    2.1.4 四趾骨结构  28-29
    2.1.5 足趾甲  29-30
  2.2 鸵鸟足表面形貌的越沙贡献分析  30-36
  2.3 鸵鸟足越沙运动学机理分析  36-41
    2.3.1 运动学试验分析过程  36-37
    2.3.2 试验结果及分析  37-41
  2.4 本章小结  41-43
第3章 自适应仿生触沙机构设计与数值分析  43-55
  3.1 自适应仿生触沙机构设计  43-47
    3.1.1 设计思想  43-44
    3.1.2 机械结构转化  44-45
    3.1.3 自适应工作原理  45-47
  3.2 越沙性能数值分析  47-52
    3.2.1 离散元法及 PFC 软件概述  47-48
    3.2.2 触沙机构/沙土相互作用计算模型  48-49
    3.2.3 工作性能定性分析  49-51
    3.2.4 工作性能定量分析  51-52
  3.3 本章小结  52-55
第4章 轮面结构对沙地轮式行走机构性能的影响  55-73
  4.1 轮式行走机构/沙土相互作用的理论基础  55-58
  4.2 车轮结构设计  58-60
  4.3 轮面结构对沙地轮通过性能影响的静态沉陷分析  60-68
    4.3.1 试验过程  60-61
    4.3.2 有关试验数据的获取及结果分析  61-63
    4.3.3 离散元三维数值模拟分析  63-68
  4.4 轮面结构对沙地轮通过性能影响的台架试验与模拟  68-71
    4.4.1 轮壤台架试验  68-69
    4.4.2 三维数值模拟  69-71
  4.5 本章小结  71-73
第5章 仿生越沙步行轮设计与性能分析  73-89
  5.1 仿生越沙步行轮设计  73-79
    5.1.1 越沙机构设计要求  73-74
    5.1.2 仿生设计思路  74
    5.1.3 轮腿数量的确定  74-75
    5.1.4 轮脚设计原理  75
    5.1.5 结构设计  75-79
  5.2 仿生越沙步行轮工作原理  79-81
  5.3 仿生越沙步行轮动力学分析  81-85
    5.3.1 平顺性分析  82-83
    5.3.2 轮脚各部件间干涉检测  83-85
  5.4 仿生越沙步行轮离散元仿真分析  85-87
  5.5 本章小结  87-89
第6章 结论与展望  89-93
  6.1 本文主要结论  89-90
  6.2 前景与展望  90-93
参考文献  93-97
导师及作者简介  97-99
研究生期间科研成果及奖励  99-101
致谢  101-102

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 汽车工程 > 各种汽车 > 专用汽车
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