Modelling wheel-soil interactions using the discrete element method for tread shape optimization

• Main Author: Briend, Robin
• Other Authors: Damiano Pasini (Internal/Cosupervisor2)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2011
• Subjects: Engineering - Mechanical
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=97205

The structure of a wheel intended for lunar applications requires an innovative design because of the Moon's specific environment. As in-situ prototype testing is obviously unfeasible, testing can only be conducted on lunar simulant soils, or through simulations. This study presents wheel-soil interaction simulations using the discrete element method (DEM) software EDEM and their use for tread shape optimization. The DEM parameters of EDEM's contact-model are first reviewed before presenting a systematic methodology of their calibration. The first step consists in measuring key properties of the real soil with basic experiments and simulating these experiments for different values of the virtual soil's design variables. The soil's response surfaces of the targeted properties are then computed, and an optimization algorithm is developed to determine the optimum sets of design variables that minimize the discrepancy of the properties between the real soil and the virtual one.Then, two different approaches of three-dimensional wheel-soil simulations are described. The first approach involves a displacement-controlled wheel, its tractive performance being measured for various grouser configurations. In the second approach, the wheel is torque-controlled and performances, such as power consumption or speed, are investigated and validated experimentally.This work proposes a soil simulation and shape optimization tool for the design of a rigid wheel tread that targets a need of the Canadian aerospace industry. === La structure d'une roue destinée à une application lunaire doit être le fruit d'une conception innovante afin de s'adapter à l'environnement très particulier de la surface de la Lune. Comme les prototypes ne peuvent être testés sur site, des tests sont possibles uniquement sur Terre, sur des simulants de sol lunaire ou en simulations. Dans cette étude, des simulations d'interactions roue-sol utilisant la méthode des éléments distincts (MED) et le logiciel EDEM sont présentées, ainsi que leur utilité dans le cadre de l'optimisation de la géométrie de la bande de roulement.Tout d'abord, les paramètres MED intervenants dans le modèle de contact de EDEM sont passés en revue et une méthodologie systématique pour leur calibration est proposée. La première étape de cette méthodologie consiste à mesurer des propriétés importantes du sol à modéliser à l'aide d'expériences simples, puis de simuler ces expériences en variant les valeurs des paramètres MED. Les surfaces de réponse pour les propriétés ciblées sont ensuite calculées, et un algorithme d'optimisation détermine les valeurs optimales des paramètres afin de minimiser les différences entre les propriétés du sol réel et celles du sol virtuel.Ensuite, deux approches de simulations roue-sol tridimensionnelles sont décrites. La première approche implique une roue asservie en déplacements. Les performances en traction de la roue sont mesurées pour différentes configurations de la bande de roulement. Dans la deuxième approche, la roue est contrôlée par un couple moteur, et d'autres performances telles que la puissance consommée ou la vitesse peuvent ainsi être mesurées et validées expérimentalemnt.Enfin, les possibilités des simulations proposées en terme d'optimisation de la structure de la bande de roulement de roues rigides sont exposées.