经过长期进化,生物形成了具有优异力学性能的材料和轻质结构,为人类解决诸多科学技术难题提供了源源不断的灵感和启发。生活在广阔水域中的浮游植物硅藻的硅质壳具有质量轻、强度高、承压性能好等特性,是典型的轻质高强生物结构,可作为工程结构轻量化的良好仿生模板。目前深空探测车的车轮结构在承载、减振缓冲性能和轻量化方面还有待进一步提高,因此引入仿生创新理念,设计新型轻质、承载能力强且减振缓冲性能好的探测车车轮具有重要的研究意义和应用价值。论文主要研究内容:(1)根据蛛网藻硅质壳的结构特征及其对载荷的分割和分层传递特点,开展探测车刚性轮的仿生设计,将其与传统辐条式车轮结构进行对比,结果表明该仿生结构具有良好的力学性能。利用响应面优化方法进一步对仿生刚性轮轮辐开展优化设计,实现结构质量最小化。(2)为进一步提高深空探测车的减振缓冲性能,本文提出三种不同的弹性车轮设计方案。利用有限元法对比研究三种弹性轮的承压特性,并分析不同辐条尺寸参数对车轮质量、应力、位移量、径向刚度及垂直稳定性等的影响,最终确定SW-2d双螺旋弹性轮为弹性轮最优设计方案。(3)对仿生刚性轮和SW-2d弹性轮在平坦、凸起、沟壑三种不同路面下的行驶过程进行动力学分析,对比研究车轮的平顺性及不同轮上载荷、路面凸起高度和沟壑宽度下车轮的减振缓冲效果。(4)计算仿生刚性轮和SW-2d弹性轮自由模态特性和有预应力的地面约束模态特性,获得不同状态下两种车轮的固有频率及振型。在此基础上,运用Bekker半经验法研究SW-2d弹性轮在月表的通过性能,计算结果表明,SW-2d弹性轮在月壤上运行灵活。