Кафедра 'Теоретическая механика'

Русская версия О кафедре Наука Содержание
English version Студентам Сотрудники

18-38-00624-а

Теоретические и экспериментальные исследования механики контактного взаимодействия опорных элементов шагающих машин и роботов с грунтом в условиях дефицита сцепного веса обусловленного ослабленной гравитацией

(Проект РФФИ № 18-38-00624, руководитель А.А. Гончаров)

Освоение планет предполагает проведение грунтовых работ. При проведении грунтовых работ в условиях дефицита сцепного веса, обусловленного ослабленной гравитацией, шагающий движитель, в сравнении с колесным и гусеничным, может обеспечить более высокие тягово-сцепные свойства. Тягово-сцепные свойства шагающих машин существенно зависят от механики контакта движителя с грунтом. Цель Проекта – изучить основные закономерности контактного взаимодействия опорных элементов (стоп) шагающих машин с грунтом в условиях дефицита сцепного веса. В соответствии с поставленной целью на первом этапе выполнения проекта разработаны адаптированные для шагающего способа передвижения математические модели основных типов слабосвязных и сыпучих грунтов, проведено математическое описание их реологических и прочностных свойств. Сформулирована контактная задача для жестких стоп различной формы, взаимодействующих с упругопластичной опорной поверхностью. При моделировании использовалась обратная постановки задачи — определялись реакции грунта на кинематическое возмущение, эквивалентное действию нормальной нагрузки, создающей пластическую деформацию грунта, и касательной нагрузки, имитирующей относительное скольжение стопы. Реализован двухэтапный итерационный алгоритм решения рассматриваемой нелинейной задачи в вычислительной системе конечно-элементного анализа ANSYS (рис. 1).

Эволюция распределения эквивалентных грунтовых напряжений по Мизесу (в МПа) под прямоугольной стопой

Рисунок 1 — Пример эволюции распределения эквивалентных грунтовых напряжений по Мизесу (в МПа) под прямоугольной стопой при ее 2-х этапном кинематическом нагружении: начало вертикального перемещения стопы (а); максимальное вертикальное перемещение (б); начало горизонтального перемещения (в); максимальное горизонтальное смещение стопы (г)

На первом шаге вычислений в качестве граничных условий задавалась вертикальная осадка стопы, на втором шаге вертикальная осадка суммировалась с горизонтальным кинематическим перемещением. Наличие больших деформаций грунта, соизмеримых с размерами стопы, создает проблемы сходимости и точности решения. Указанные проблемы были преодолены путем использования процедуры построения адаптивной сетки, предусмотренной в системе ANSYS.

Проведено математическое моделирование напряженно-деформированного состояния вязкоупругопластичного грунта под стопами различного типоразмера при их сложном нагружении, создаваемом нормальными и «большими» (до 300 % от нормальной составляющей) касательными внешними силами. Показано, что при больших деформациях грунта дефицит сцепного веса может быть компенсирован существенным ростом коэффициента сцепления. На базе результатов математического моделирования проведены исследования по оптимизации формы стопы с целью увеличения реализуемой по сцеплению силы тяги.

Показано, что при больших деформациях грунта дефицит сцепного веса может быть компенсирован существенным ростом коэффициента сцепления. На базе результатов математического моделирования проведены исследования по оптимизации формы стопы с целью увеличения реализуемой по сцеплению силы тяги.

На заключительном этапе Проекта осуществлялась экспериментальная проверка результатов математического моделирования на базе опытного образца шагающего аппарата МАК. Осуществлялось курсовое движение, маневрирование и преодоление уклонов в условиях слабонесущих, слабосвязных и сыпучих грунтов (рис. 2 а, б, в). Часть экспериментов осуществлялась в подводных условиях с целью имитации ослабленной гравитации (рис. 2 г). Использовались стопы различного типоразмера. При определении тягово-сцепных свойств использовался метод, основанный на видеосъемке процесса движения аппарата при варьируемой тяговой нагрузке с последующей покадровой обработкой видеозаписи на ЭВМ. По результатам экспериментов были скорректированы методы расчета опорных элементов (стоп) шагающих машин, предназначенных для работы в условиях дефицита сцепного веса.

Подводный шагающий аппарат МАК-1

Подводный шагающий аппарат МАК-1

Подводный шагающий аппарат МАК-1

Подводный шагающий аппарат МАК-1

Рисунок 2 — Тяговые испытания шагающего аппарата МАК (ВолгГТУ, Россия)

Результаты Проекта могут быть востребованы при разработке опорных элементов (стоп) как для простейших шагающих машин, например, предназначенных для новых почвосберегающих технологий в лесном и сельском хозяйстве, так и для сложных робототехнических систем работающих в экстремальных условиях, например, планетоходов или подводных роботов передвигающихся по дну.

[ВолгГТУ] [О кафедре] [Home]

Разработчик сайта Александр Малолетов
Контактный телефон/факс (8442) 24-81-13
Дата последнего обновления 14 июня 2020 г.