月球车与月壤交互作用的离散元-多体动力学耦合建模

作     者：徐鸿 雷波 刘锦阳 XU Hong;LEI Bo;LIU Jinyang

作者机构：上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 

出 版 物：《振动与冲击》 (Journal of Vibration and Shock)

年 卷 期：2024年第43卷第4期

页      面：239-249页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0810[工学-信息与通信工程] 070802[理学-空间物理学] 080202[工学-机械电子工程] 0708[理学-地球物理学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 081101[工学-控制理论与控制工程] 0701[理学-数学] 080101[工学-一般力学与力学基础] 0811[工学-控制科学与工程] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金(11932001 12272221) 

主　　题：离散元方法(DEM) 多体动力学(MBD) 月球车 耦合建模 高效接触检测 

摘      要：目前,对于散体颗粒物质与复杂机械系统的耦合作用研究,面临着跨尺度、计算规模庞大以及非光滑表面的接触检测困难等问题。为了探究月球车与月壤交互作用,首先对颗粒-多体耦合系统动力学建模与接触算法进行研究。分别用离散元方法(discrete element method, DEM)和多体动力学(multibody dynamics, MBD)笛卡尔方法建立了散体球形颗粒和含约束多体系统的动力学模型,并基于Hertz-Mindlin模型计算颗粒与刚体的接触力,在此基础上给出顺序耦合策略,建立了离散元和多体耦合的动力学模型。针对月球车齿状车轮的非光滑表面与颗粒之间接触检测规模庞大的问题,提出了非光滑形状物体的分区域局部检测方法,降低了局部检测的规模。通过对比圆柱体冲击颗粒的试验和仿真结果,验证了离散元-多体耦合模型的准确性。在耦合动力学建模和接触算法研究的基础上,对具有齿状车轮的月球车在月壤上行驶过程进行动力学仿真,研究不同驱动参数下的系统动力学特性以及不同轮胎形状对行驶运动的影响,研究结果表明,交错形轮齿的月球车相较直齿形轮齿前进距离多14%,前进效率较高,该研究对月球车的设计具有理论指导意义。