Abstract In lunar exploration, flexible metal wheels are designed because the pneumatic tires and rigid wheels are not suitable for crewed lunar rovers. However, the load capacity of the existing flexible metal wheels cannot meet the requirements of heavy load. In this work, an innovative flexible metal wheel consisting of a single rim and twin carcasses was proposed. Firstly, the design method and the detailed structure of this wheel was described. In order to analyze its mechanical performance under different heavy loads, Finite Element Method simulations were conducted based on lunar environment. By vertical load simulation, sheet thickness (1.5 mm) was determined considering elasticity and stiffness. By tangential force and side force simulation, the maximum stresses were respectively obtained as 715.5 MPa and 433.2 MPa, which were less than the yield strength of the spring steel, thus no plastic deformation would occur. Impact simulation showed that the maximum stress of the flexible wheel on the rigid ground exceeded the yield strength of the spring steel, resulting in plastic deformation, while the maximum stress on the soft ground was less than the yield strength and no plastic deformation occurred. Based on these simulations, the flexible metal wheel was fabricated and tested to verify its strength, stiffness, and impact resistance. The wheel exhibited excellent load capacity and elasticity. Finally, the relationship between the test and simulation was analyzed. It is believed that the structure and design process of this new flexible metal wheel are valuable for the subsequent development of heavy flexible metal wheel.

中文翻译：

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载人月球车柔性金属轮设计及力学性能评价

摘要 在月球探测中，由于充气轮胎和刚性轮不适合载人月球车，设计了柔性金属轮。然而，现有的柔性金属轮的承载能力不能满足重载的要求。在这项工作中，提出了一种由单轮辋和双胎体组成的创新柔性金属轮。首先介绍了该轮的设计方法和详细结构。为了分析其在不同重载荷下的力学性能，基于月球环境进行了有限元法模拟。通过垂直载荷模拟，考虑弹性和刚度来确定板材厚度（1.5 毫米）。通过切向力和侧向力模拟，最大应力分别为715.5 MPa和433.2 MPa，小于弹簧钢的屈服强度，不会发生塑性变形。冲击模拟表明，软轮在刚性地面上的最大应力超过弹簧钢的屈服强度，产生塑性变形，而在软质地面上的最大应力小于屈服强度，未发生塑性变形。基于这些模拟，柔性金属轮被制造和测试以验证其强度、刚度和抗冲击性。车轮表现出优异的负载能力和弹性。最后分析了试验与仿真的关系。相信这种新型柔性金属轮的结构和设计过程对于重型金属柔性轮的后续发展具有重要价值。因此不会发生塑性变形。冲击模拟表明，软轮在刚性地面上的最大应力超过弹簧钢的屈服强度，产生塑性变形，而在软质地面上的最大应力小于屈服强度，未发生塑性变形。基于这些模拟，柔性金属轮被制造和测试以验证其强度、刚度和抗冲击性。车轮表现出优异的负载能力和弹性。最后分析了试验与仿真的关系。相信这种新型柔性金属轮的结构和设计过程对于重型金属柔性轮的后续发展具有重要价值。因此不会发生塑性变形。冲击模拟表明，软轮在刚性地面上的最大应力超过弹簧钢的屈服强度，产生塑性变形，而在软质地面上的最大应力小于屈服强度，未发生塑性变形。基于这些模拟，柔性金属轮被制造和测试以验证其强度、刚度和抗冲击性。车轮表现出优异的负载能力和弹性。最后分析了试验与仿真的关系。相信这种新型柔性金属轮的结构和设计过程对于重型金属柔性轮的后续发展具有重要价值。冲击模拟表明，软轮在刚性地面上的最大应力超过弹簧钢的屈服强度，产生塑性变形，而在软质地面上的最大应力小于屈服强度，未发生塑性变形。基于这些模拟，柔性金属轮被制造和测试以验证其强度、刚度和抗冲击性。车轮表现出优异的负载能力和弹性。最后分析了试验与仿真的关系。相信这种新型柔性金属轮的结构和设计过程对于重型金属柔性轮的后续发展具有重要价值。冲击模拟表明，软轮在刚性地面上的最大应力超过弹簧钢的屈服强度，产生塑性变形，而在软质地面上的最大应力小于屈服强度，未发生塑性变形。基于这些模拟，柔性金属轮被制造和测试以验证其强度、刚度和抗冲击性。车轮表现出优异的负载能力和弹性。最后分析了试验与仿真的关系。相信这种新型柔性金属轮的结构和设计过程对于重型金属柔性轮的后续发展具有重要价值。而软土地基上的最大应力小于屈服强度，没有发生塑性变形。基于这些模拟，柔性金属轮被制造和测试以验证其强度、刚度和抗冲击性。车轮表现出优异的负载能力和弹性。最后分析了试验与仿真的关系。相信这种新型柔性金属轮的结构和设计过程对于重型金属柔性轮的后续发展具有重要价值。而软土地基上的最大应力小于屈服强度，没有发生塑性变形。基于这些模拟，柔性金属轮被制造和测试以验证其强度、刚度和抗冲击性。车轮表现出优异的负载能力和弹性。最后分析了试验与仿真的关系。相信这种新型柔性金属轮的结构和设计过程对于重型金属柔性轮的后续发展具有重要价值。分析了试验与仿真的关系。相信这种新型柔性金属轮的结构和设计过程对于重型金属柔性轮的后续发展具有重要价值。分析了试验与仿真的关系。相信这种新型柔性金属轮的结构和设计过程对于重型金属柔性轮的后续发展具有重要价值。