淺層月壤鏟挖動力學(xué)建模及應(yīng)用研究.pdf

1、隨著我國深空探測任務(wù)，特別是嫦娥三期工程的順利開展，淺層月壤采樣成為了當(dāng)前航天領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。由于月面1/6重力環(huán)境及月壤顆粒間范德華力對月壤力學(xué)特性的影響，使得月面環(huán)境下的淺層月壤鏟挖動力學(xué)特性不但難以通過地面試驗進行模擬，也無法直接利用傳統(tǒng)的鏟挖阻力經(jīng)驗公式進行計算。因此，為了深入了解采樣器在月壤中的運動阻力及兩者間的耦合動力學(xué)特性，降低最大鏟挖阻力和總能耗，提高柔性采樣機械臂的鏟挖控制精度，本文在結(jié)合已有國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上

2、，推導(dǎo)了淺層月壤鏟挖阻力公式，并采用離散元法對鏟挖阻力參數(shù)和月壤流變參數(shù)進行回歸分析，建立月面環(huán)境下的鏟挖工程模型，用以實現(xiàn)對不同采樣方式下的淺層月壤鏟挖動力學(xué)分析和應(yīng)用工作。
　　為了解決1/6重力環(huán)境下月壤力學(xué)特性的分析和計算問題，本文在離散元仿真框架下，通過建立帶范德華力的粘-彈顆粒接觸關(guān)系的離散元模型，利用多輸出最小二乘支持向量機（SVM）及自適應(yīng)遺傳算法，以當(dāng)前已公開的真實月壤地面三軸試驗數(shù)據(jù)為參數(shù)標(biāo)定依據(jù)，實現(xiàn)對能夠表

3、征月壤宏觀力學(xué)性質(zhì)的離散元等效細(xì)觀參數(shù)進行標(biāo)定，最終建立了淺層月壤離散元模型。
　　切削是鏟挖過程中的一個重要動作。在淺層月壤鏟挖過程中，采樣器側(cè)板對月壤進行切削，實現(xiàn)樣本月壤與原位月壤的分離。為解決淺層月壤的切削阻力預(yù)測問題，本文利用靜止土壓力理論及 Kostritsyn切削阻力理論，分別對切削過程中月壤預(yù)應(yīng)力和擠壓變形恢復(fù)力導(dǎo)致的側(cè)板壓力進行分析，并依據(jù)上述分析成果建立平行、直立兩種切削模式下的淺層月壤純切削阻力的計算模型。針

4、對不同月壤基本參數(shù)，即不同平均粒徑、孔隙率和級配下的淺層月壤具有不同靜止土壓力系數(shù)、變形比阻和外摩擦系數(shù)的特點，本文采用離散元法開展了側(cè)限壓縮試驗和機-土摩擦試驗，建立了月壤基本參數(shù)與上述宏觀力學(xué)參數(shù)間的回歸模型。在此基礎(chǔ)上，通過對比月壤切削模型預(yù)測結(jié)果和月壤離散元仿真結(jié)果，驗證了切削計算模型的正確性和精度。
　　推移是鏟挖過程中的另一個重要動作。在淺層月壤推移過程中，采樣器鏟平面帶動月壤向鏟挖方向整體運動，實現(xiàn)樣本與采樣器的隨動

5、。為解決淺層月壤在不同運動模式下的推移阻力預(yù)測問題，本文結(jié)合 Rankine被動土壓力理論和水平層分析法，建立了針對鏟平面整體平移、頂點轉(zhuǎn)動兩種模式下的鏟面阻力分布方程組，并針對該方程組在DFP求解算法中的不具有全局初值收斂性的特點，提出了DFP+遺傳算法的求解方法，實現(xiàn)對鏟面阻力分布及月壤滑移線形狀的求解，最終建立月壤推移阻力的計算模型。針對不同基本參數(shù)的淺層月壤具有不同抗剪強度的特點，本文采用離散元法開展了靜三軸試驗離散元仿真，建立

6、了月壤基本參數(shù)與月壤內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角間的回歸模型。在此基礎(chǔ)上，通過對比月壤推移模型和月壤離散元仿真得出的阻力分布結(jié)果，驗證了推移計算模型的正確性和精度。
　　在實際鏟挖過程中，鏟斗形狀、鏟前堆積月壤量、月壤基本參數(shù)均會影響對月壤的鏟挖阻力。本文對鏟挖全過程中鏟斗、月壤狀態(tài)進行分析，并基于 Hemami鏟挖阻力理論，綜合考慮鏟挖過程中的切削阻力、推移阻力和月壤滑移體慣性力，建立鏟挖全過程中的月壤阻力預(yù)測工程模型。在此基礎(chǔ)上，以鳳凰號

7、上采樣器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為例，設(shè)計獨立采樣器算例對月壤采樣過程進行分析，基于最小阻力和最小功耗分析鏟抬模式下的最佳切入角，并分別計算旋刨模式和鏟抬模式下的全過程采樣阻力變化，分析兩模式在不同月壤條件下的適用性。
　　除鏟挖阻力外，鏟挖過程中的變鏟挖阻力還會導(dǎo)致鏟斗與斗內(nèi)月壤間的耦合振動問題。本文引入土壤流變理論，利用離散元動三軸試驗得出的并聯(lián)Iwan模型對時變鏟挖力造成的月壤激勵響應(yīng)進行研究，實現(xiàn)對月壤機-土耦合作用的分析，最終建立考

8、慮機-土耦合的淺層月壤鏟挖動力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，分析機械臂鏟挖采樣過程。由于鏟挖控制過程中機械臂末端鏟斗對月壤存在時變鏟挖力，因此鏟斗與月壤間存在一定的耦合作用。應(yīng)用考慮機-土耦合的淺層月壤鏟挖動力學(xué)模型分析柔性采樣機械臂在鏟挖月壤時的動力學(xué)及控制問題。基于模態(tài)綜合法建立包括鏟斗在內(nèi)的4自由度機械臂，設(shè)計合理的月壤鏟挖策略和軌跡，并采用計算力矩控制器實現(xiàn)柔性采樣機械臂的淺層月壤鏟挖控制。對于待鏟挖月壤的未知參數(shù)會影響控制性能的問題，設(shè)