CN111003212A - 一种形状记忆合金点阵结构的火星轮胎 - Google Patents

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Abstract

一种形状记忆合金点阵结构的火星轮胎涉及航天探测器车零部件领域。所述轮胎的有效设计部分为轮胎胎体，主要针对火星复杂路面情况导致轮胎破损的情况而设计。轮胎胎体采用点阵结构填充，点阵结构在保证轮胎负载的前提下，具有良好的减重效果。点阵结构本身具有的减振吸能能力保障了轮胎服役过程中的平稳性。轮胎表面为增大轮胎抓地力的轮刺，保障火星探测车在松软路面的通过性。利用NiTi合金的超弹性，保障轮胎受到来自岩石的冲击载荷后，仍能够恢复原状。该轮胎采用激光选区熔化技术(selective laser melting,SLM)一体化成形，解决点阵结构加工困难的问题，同时采用相应的热处理工艺调控轮胎力学性能。

Description

一种形状记忆合金点阵结构的火星轮胎
技术领域
本发明涉及航天探测车零部件技术领域。
背景技术
轮胎是一种安装在车辆或机械设备上，直接与地面接触，通过滚动实现承载物体移动的圆形部件。轮胎主要功能是：支撑车体或机械设备；降低与路面接触时产生的冲击力；与地面附着保证车辆的牵引性、制动性和通过性。
随着航天技术发展，外太空行星星面探索需求逐渐增多，为了满足火星星面探索的需要，需要考虑火星星面复杂的气候地理环境，从而设计火星探测车轮胎胎体。火星路面以裸露岩石以及沙土路面为主，气温在-46℃-35℃之间，橡胶轮胎不足以在该路面环境和气候条件下服役，因此目前各国航天探测车主要使用金属轮胎。在对目前已经进行过火星探测的“勇气号”、“好奇号”轮胎的结构进行调研，并分析其轮胎失效机理后，发现火星探测车车轮主要受损原因有：尖锐岩石刺穿轮胎表面；金属轮胎受到冲击出现永久变形的凹坑；长期运行导致的磨损等。以上问题导致火星探测车服役时间变短、路面通过性、运行稳定性变差，从而影响了火星地表探测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够解决火星车轮遇到的穿刺、凹坑和磨损问题的新型火星轮胎。
为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：采用增材制造技术一体化制造一种合金点阵结构的金属火星轮胎。所述轮胎设计仅为胎体部分，胎体内部为点阵结构，其特征在于：所述点阵结构可以根据车体实际承重要求和抗形变能力选择不同参数的点阵进行填充，整个轮胎一体成形，点阵与轮胎内表面无需机械连接，所述轮胎与地面接触的表面有轮刺。
点阵结构用于轮胎胎体填充建立在增材制造的基础上。增材制造技术使复杂几何加工变得比原先容易，因此一定程度上解除了设计方面的局限性，对轮胎胎体填充结构的选择可根据轮胎受力情况拓扑优化得到，由于轮胎表面的受力具有周期性，因此胎体填充结构理论上应具有径向力学性能的一致性。
单纯使用拓扑优化进行胎体填充结构优化的局限在于可能会导致部分结构与加工平面夹角较小，因此需要额外添加支撑，增加制造难度和制造成本。由于点阵结构由单个胞元阵列得到，因此加工一致性好，同时点阵结构具有吸能、轻质等特性，与火星探测车轮胎所需属性高度一致，因此以点阵填充轮胎胎体内部。
一种金属点阵结构轮胎胎体，其特征在于，包括：
轮胎胎体内部采用点阵结构填充，点阵结构由单个胞元阵列获得，点阵被轮胎外表皮包覆，轮胎胎面有增大抓地力的轮刺。
进一步，金属点阵结构轮胎胎体，由增材制造技术一体成型。
进一步，材料为形状记忆合金。
进一步，有用于增大抓地力的两排轮刺，每5°有一个轮刺，总共72个轮刺。
进一步，相邻两个轮刺在轮胎轴向上错位，错位角度为9°，轮刺以交错覆盖于轮胎表面。
进一步，金属增材制造加工后，需要通过热处理，降低轮胎残余应力。
进一步，所述点阵结构的胞元由4根圆柱形杆交于一点形成一个胞元，使用相同胞元填充轮胎胎面和轮辋之间的空间，最终得到点阵结构的轮胎。
进一步，组成点阵的胞元通过调整杆径比即胞元杆的长度和杆的半径的比值来调整点阵的致密度和力学性能。
进一步，胞元的杆与加工平面的夹角不小于45°，成胞元的杆直径应不小于2mm。
进一步的技术方案在于：该胎体点阵结构沿径向有2个胞元，沿轴向有4个胞元，采用软件Creo5.0选中胎体部分，确定单个胞元参数后阵列得到。
进一步的技术方案在于：胞元为体心立方构型，具体为4根相同长度的圆杆交汇于中心一点，其理论基础为原子密排理论，由布拉维(Bravais A.)通过数学方法推导得出，体心立方胞元几何结构可视作某正方体体对角线构成的几何结构，因此构成胞元的正方体边长即为胞元尺寸参数。
选择体心立方的原因在于：体心立方点阵夹层结构具有各向异性，变形在体结构中均匀传播，并在节点处集中，因而具有变形均匀的特点；NiTi合金的超弹性决定其具有8％左右的变形恢复能力；体心立方点阵具有大的杨氏模量、切变模量以及弹性各向异性，因此能量吸收能力较好；二者叠加新型轮胎具有较好的吸能以及变形恢复能力；而轮胎的刚度(类似于需要合适的胎压)可以通过改变点阵结构中梁的粗细进行调节。吸能能力与刚度是互为矛盾体，对于传统的设计与制造是一个瓶颈，而本轮胎通过性能定制化实现二者的平衡。
进一步的技术方案在于：形状记忆合金具有的超弹性，即：产生形变超过弹性形变极限后，在一定范围内仍能在一段时间内回复原状。所以能够在轮胎受冲击产生较大变形时，对轮胎进行自修复，从而解决轮胎受到撞击后表面产生凹坑，影响探测车平稳运行的问题。
进一步的技术方案在于：NiTi合金高强度、超弹性特点，结合点阵结构吸能减振的优势，将材料优势和结构优势结合起来，进一步提升了轮胎的吸能减振能力。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明实施所述NiTi合金点阵结构的金属火星轮胎结构剖面示意图；
图2是本发明实施所述NiTi合金点阵结构的金属火星轮胎点阵胞元示意图；
其中：10、点阵20、轮刺11、胞元
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明实施例公开了一种NiTi合金点阵结构的金属火星轮胎，包括点阵10与轮胎表面轮刺20，整个轮胎胎体采用SLM金属3D打印一体成型。本发明不同于现有技术之处在于：现有金属弹性轮胎多采用实体或基于传统加工技术的吸能减振结构对轮胎胎体进行填充，使用材料为较软且不耐磨的铝合金，而本设计提出的新型金属轮胎采用点阵结构填充，在保证轮胎弹性的前提下减轻轮胎重量，利用点阵10结构吸能减振能力提高轮胎运行稳定性，采用NiTi形状记忆合金作为金属轮胎材料，比现有铝合金轮胎具有更好的强度和耐磨性，同时，增材制造技术保证了点阵结构加工的可行性。
进一步的，如图1所示，参考现有火星探测车轮胎尺寸(好奇号车轮直径510mm)，该轮胎外径为500mm，内径300mm，车轮宽度200mm，轮面厚度为5mm(不包括轮刺11厚度)。
进一步的，如图2所示，所述点阵10结构的胞元11由4根圆柱形杆交于一点形成一个胞元(可视作正方体4条体对角线所构成)，胞元的边长和杆径可通过Creo5.0进行创建和修改。
进一步的，如图2所示，所述点阵10结构胞元11参数为边长为50mm的立方体，杆径为10mm，在软件Creo5.0内创建单个胞元，选中轮胎胎皮的内表面和轮辋的外表面两个面，然后添加已经创建的胞元，选择阵列填充，最终得到该轮胎的点阵填充部分。
需要说明的是：轮胎的胞元尺寸可以根据具体轮胎的承载情况进行调整，若要求轮胎有较大的刚度，则可以将胞元边长变短，胞元杆径加粗；若要求轮胎具有较好的弹性，可将胞元边长变长，胞元杆径变细；亦可将胞元边长变短，胞元杆径变细，或胞元边长变长，胞元杆径变粗，目的是改变轮胎的承载能力和弹性。该功能可通过Creo5.0软件调试完成，因此此处点阵尺寸不局限于边长50mm，胞元杆径10mm这一组参数。
进一步的，如图1所示，轮胎表面每隔5°角一个轮刺20，轮刺20沿轴向交错排列，轮刺为长方体，长100mm，宽8mm，高5mm，面与面交界处进行倒角处理，圆角半径3mm，总数为72个，目的是保证探测车在平稳运行的同时具有足够的抓地力。
进一步的，如图1所示，点阵10结构采用SLM增材制造技术进行加工，其胞元11的杆直径应不小于2mm，2mm为常规增材制造设备的加工极限，如果杆径小于2mm，可能会造成胞元的杆无法成形，最终导致加工失败。
进一步的，如图1所示轮胎，在采用软件Creo5.0进行建模后，保存为STL格式，然后导入专业增材制造切片软件(例如Materialise Magics)进行切片处理，在进行三角面片化后进行切片处理。最终将切片文件导入增材制造设备，完成加工制造。
探测车在坚硬路面运行时，NiTi合金点阵结构为其提供了良好的吸能减振效果，轮胎撞击路面坚硬岩石所产生的加速度经过多层点阵吸能，传到探测车的能量将会大幅度减小；在轮胎受到撞击产生形变后，轮胎上的凹坑在一段时间后能够自动复原，从而使得探测车轮运行保持稳定；NiTi合金(抗拉强度>800MPa)本身相比现在用于火星探测车的铝合金(抗拉强度<500MPa)而言，本身具有更高的强度和耐磨性，因此在应对轮胎受到的高应力冲击载荷和磨损方面，将具有十分显著的优势。
该NiTi合金点阵结构金属火星轮胎采用SLM金属3D打印技术一体成型，降低了点阵结构的制造难度，使得点阵和胎面同时成形，减少了加工步骤，降低了制造成本，且SLM技术本身能够使所加工材料的力学性能远超铸件，基本达到锻件水平，因此轮胎的加工质量可以得到保障。

Claims (9)

1.一种金属点阵结构轮胎胎体，其特征在于，包括：
轮胎胎体内部采用点阵结构填充，点阵结构由单个胞元阵列获得，点阵被轮胎外表皮包覆，轮胎胎面有增大抓地力的轮刺。
2.如权利要求1所述的一种金属点阵结构轮胎胎体，其特征在于：
金属点阵结构轮胎胎体，由增材制造技术一体成型。
3.如权利要求1所述的一种金属点阵结构轮胎胎体，其特征在于：
材料为形状记忆合金。
4.如权利要求1所述的一种金属点阵结构轮胎胎体，其特征在于：
有用于增大抓地力的两排轮刺，每5°有一个轮刺，总共72个轮刺。
5.如权利要求1所述的一种金属点阵结构轮胎胎体，其特征在于：
相邻两个轮刺在轮胎轴向上错位，错位角度为9°，轮刺以交错覆盖于轮胎表面。
6.如权利要求1所述的一种金属点阵结构轮胎胎体，其特征在于：
金属增材制造加工后，需要通过热处理，降低轮胎残余应力。
7.如权利要求1所述的一种金属点阵结构轮胎胎体，其特征在于：所述点阵结构的胞元由4根圆柱形杆交于一点形成一个胞元，使用相同胞元填充轮胎胎面和轮辋之间的空间，最终得到点阵结构的轮胎。
8.如权利要求7所述的一种金属点阵结构轮胎胎体，其特征在于：
组成点阵的胞元通过调整杆径比即胞元杆的长度和杆的半径的比值来调整点阵的致密度和力学性能。
9.如权利要求7所述的一种金属点阵结构轮胎胎体，其特征在于：胞元的杆与加工平面的夹角不小于45°，成胞元的杆直径应不小于2mm。
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