火星表面除了覆盖有松散的火星土壤外,遍布裸露的砾石和石块,这对金属材质火星车车轮的耐久性提出严峻的考验。因此,在约束质量、结构和材料的前提下,对火星车车轮轮面及结构进行优化,从而提高其耐久性对巡视探测至关重要。本文的主要研究内容如下:仿生原型的选择及仿生轮面的设计。本文选取了自然界中具有优良耐磨特性的四种生物(蜣螂、栉孔扇贝瓣、蛤蜊瓣和穿山甲鳞片)作为仿生原型,将其表面的凹坑形、棱纹形、凸包形和鳞片形结构应用到火星车车轮的优化设计中。仿生轮面的耐久性试验研究。建立了耐久性试验台,研究四种仿生轮面的耐磨损特性。试验共分三步进行,结果表明,在相同的试验条件下,与原型轮相比,凹坑形和棱纹形不具有耐磨特性。在磨料为石英砂时,与原型轮相比,凸包形具有最优的耐磨及减阻特性,单位时间内的磨损量和能耗分别降低了46%和16%;在磨料中增加石块后,与原型轮相比,凸包形和鳞片形单位时间内的磨损量分别降低了60%和67.5%,能耗略微降低。仿生轮面的离散元分析。为了优化仿生结构,寻求最佳仿生单元形式,建立了车轮-火壤耐久性离散元仿真模型,进行了离散元3D仿真分析。结果表明:凸包形及鳞片形轮面相较于原型轮,在质量增加5.4%和17%的条件下,轮面切向累积力分别降低了70%和40%,耐久性提高显著。凹坑形和棱纹形轮面相较于原型轮,轮面切向累积力平均增加了50%以上,没有达到预期效果。鳞片形结构的正交优化。考虑到鳞片形结构的整体性,只改变鳞片的比例和高度作为优化的因素。设计了九种鳞片形结构形式,最终通过切向累积力对比和云图分析,得出当鳞片比例为原结构的1.4倍、高度为1mm时具有最优的耐久性。耐久性试验和仿真分析共同表明:在约束质量条件下,通过仿生优化车轮轮面可提高车轮的耐久性,离散元仿真分析可为仿生结构优化提供技术参考。