星球车作为开展地面实验的载运工具,需要适应星球表面的各种复杂环境。除存在软土外,部分区域也存在硬石地形以及硬石与软土混合地形等更为复杂的情况,因此研究车轮在硬石、软土及其混合地形下的轮壤接触动力学对星球车控制及结构设计具有重要意义。为了区分大硬石和中等硬石,将硬石、车轮、土壤的相关参数依次带入Bekker载荷沉陷公式,将得到的沉陷量做比值带入预设沉陷范围内以区分对应于车轮和土壤的大硬石和中等硬石;刚轮与软土接触模型采用经典Recce-Wong正应力公式,Janosi剪应力公式计算;刚轮与大硬石接触采用带Hertz接触的非线性弹簧阻尼模型计算;将刚轮与中等硬石-软土混合地形的接触分为三部分分析:刚轮与残余软土接触,刚轮与硬石接触,硬石与软土接触。硬石存在导致刚轮与软土的有效作用面积减少。因此,Wong和Janosi模型不能直接求解刚轮与软土接触问题,为此提出残余土壤模型;采用带Hertz接触的非线性弹簧阻尼模型计算刚轮与硬石的接触;提出塑性均质土壤力学模型解决中等硬石与软土接触时由于石块运动导致受压缩土壤产生相应土壤约束力和力矩的求解。选用规则的椭球形或球形石块作为研究对象,避免由于自然条件下的硬石复杂多样且分布位置不同导致模型失效的问题。基于动力学软件Adams二次开发功能,搭建了星球车单轮仿真平台。通过调用地形参数、土壤参数、石块参数、虚拟模型运动学参数等计算软土对车轮和石块的力和力矩。为了搭建土槽实验平台样机,对平台进行了设计、计算、分析、校核、加工、安装、测试等工作。利用单轮仿真平台和土槽实验平台对刚轮在大硬石地形、可移动中等硬石-软土混合地形上运动的轮地接触力进行了计算和测量,仿真和实验结果基本一致。采用Wong的重复加载沉陷模型作为理论基础求解软土在外加重复载荷下的沉陷和压力的问题。提出求解任意位置处土壤承载力的计算方法,以解决Wong的重复加载沉陷模型中承载力由不单调的分段函数计算导致模型求解困难的问题。将土壤沿沉陷方向进行微分,对各段施加分段承载系数,给出对应的土壤稳定点和土壤反弹线刚度计算公式,将上述计算方法编制成可供用户随意调用的重复加载土壤压力沉陷计算程序,对三种直径的压板进行仿真和实验,最后对比仿真和实验的载荷-沉陷数据,结果显示仿真和实验误差最大不超过10%。