基于离散元方法的火星柔性气囊着陆缓冲特性研究

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1、硕士学位论文基于离散元方法的火星柔性气囊着陆缓冲特性研究RESEARCHONMARSFLEXIBLEAIRBAGLANDINGCUSHIONCHARACTERISTICSBASEDONDISCRETEELEMENTMETHOD曹盼哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V476.4学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文基于离散元方法的火星柔性气囊着陆缓冲特性研究硕士研究生：曹盼导师：邓宗全教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V476.4U.D

2、.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONMARSFLEXIBLEAIRBAGLANDINGCUSHIONCHARACTERISTICSBASEDONDISCRETEELEMENTMETHODCandidate：CaoPanSupervisor：Prof.DengZongquanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEnginee

3、ringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着各国的火星探测任务逐渐由环绕探测转向着陆巡游探测，气囊缓冲系统成为新的研究热点。由于数值计算方法研究周期短、研究花费少、数据记录全面可回溯，因此成为研究者进行气囊系统优化设计的首选。不同于前期研究中，利用有限元对气囊参数进行优化的方法，本课题针对火星地表离散型的形貌特征，提出利用离散元建立气囊着陆缓冲特性仿真平台的新方法，实现对气囊着陆环境的高精度还原，便于深入研究着陆环境对气

4、囊系统着陆特性的影响，并针对火星环境进行气囊缓冲着陆特性预测，为火星缓冲气囊优化设计以及着陆点的选择提供参考。气囊是着陆缓冲特性仿真研究的对象，因此研究气囊离散元模型的建模方法，成为搭建着陆缓冲特性仿真平台的首要问题。为实现气囊离散元模型的建立，本文结合离散元思想，将充气气囊微元转化为三维颗粒-弹簧模型，随后利用仿真及理论对颗粒-弹簧模型参数进行匹配，并针对单球气囊，利用离散元软件EDEM完成气囊建模方法的优化。在单球气囊离散元模型的基础上，验证离散元模型可行性、验证离散型冲击表面上气囊缓冲特性的特殊性、获得影响气囊缓冲特性的主要参数。首先通过对缓冲过程的理论推导以及仿真分析，获

5、得过载加速度与各参数之间的函数关系；然后通过仿真、实验、理论相互对比，验证模型可行性；最后通过连续型表面与离散型表面的对比仿真，验证离散型冲击表面上气囊缓冲特性的特殊性，并针对离散型表面中颗粒的动力学行为，提出了受冲击表面下颗粒的三态转化猜想。在单球模型研究的基础上，进行火星环境下的多球气囊缓冲特性的预测。首先建立了具有火星形貌特征的离散型冲击表面以及多球气囊的离散元模型，然后根据影响气囊缓冲特性的主要参数选择一系列样本点进行仿真计算，仿真完成后利用对样本点数据进行多元非线性回归分析，得到各参量与气囊系统过载加速度之间的关系，进而完成对火星环境下气囊缓冲特性的预测。通过本文的研究

6、，获得了一种可以高度还原火星环境，进行气囊缓冲特性预测的仿真平台。利用该平台可以获得不同参数气囊系统在火星环境下的缓冲性能，同时也可以建立不同冲击表面参数的仿真模型，研究不同类型着陆点对缓冲特性的影响，为后期的火星气囊软着陆技术的仿真研究，提供了新的思路。关键词：火星探测；气囊缓冲系统；离散元；颗粒-弹簧模型；颗粒三态转化-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractAsthemissionofMarsexplorationinvariouscountriesgraduallyshiftsfromsurrounddetectiontolandingpatroldetecti

7、on,theairbagcushionsystemhasbecomeanewresearchhotspot.Becauseofitsshortresearchcycle,lowresearchcosts,andcomprehensivedatarecords,numericalcalculationmethodshavebecomethefirstchoiceforresearcherstooptimizethedesignofairbagsystems.Differentfro