基于離散元法的月壤鉆取動力學(xué)研究.pdf

1、隨著我國探月三期工程的順利開展，月壤鉆進取樣成為當(dāng)前航天領(lǐng)域的重點任務(wù)。月壤鉆取屬于極端條件下的鉆探問題，是鉆探領(lǐng)域技術(shù)難度最高的問題之一，由于月球低重力、無水無空氣等極端環(huán)境以及月壤高內(nèi)摩擦角低內(nèi)聚力的特殊力學(xué)屬性，在地面進行真實環(huán)境模擬難度很大，加之空間任務(wù)要求鉆具系統(tǒng)必須質(zhì)量輕、功耗低、強度大，因此須深入開展鉆進過程機土作用的動力學(xué)研究，為鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計、規(guī)程設(shè)計、材料設(shè)計等提供理論依據(jù)。由于地面試驗無法觀測土壤內(nèi)部情況且耗資巨大，

2、而理論分析受過多假設(shè)條件局限，因此本文選用離散元方法建立月壤本構(gòu)模型與鉆取仿真模型，并對工程上所關(guān)注的低重力載荷、大顆粒影響、層理保持特性以及鉆頭結(jié)構(gòu)影響等問題進行動力學(xué)仿真分析。
　　針對月壤的特殊力學(xué)性質(zhì)，本文基于離散元方法構(gòu)建了離散顆粒間線剛度非張力本構(gòu)關(guān)系與含表觀黏聚的本構(gòu)關(guān)系，總結(jié)了不同張力添加方式的特點并提出了張力最適作用規(guī)律。根據(jù)力的作用形式及月壤化學(xué)成分解釋了彈簧張力的合理性，提出了初態(tài)膠結(jié)假設(shè)并基于此最終建立了變

3、本構(gòu)月壤三維離散元模型。詳細闡述了基于邊界振動控制的三軸仿真試驗不同密實度樣本制備過程，通過三軸仿真試驗得到了模型各細觀參數(shù)對宏觀抗剪強度的影響規(guī)律并進行參數(shù)標(biāo)定，最終模型在淺層與深層密實度下三軸仿真曲線與真實月壤地面試驗曲線重合度均較高，淺層疏松月壤內(nèi)聚力0.9kPa、內(nèi)摩擦角42.25°，深層密實月壤內(nèi)聚力2.6kPa、內(nèi)摩擦角50.88°，符合最佳估計值，保證了模型的精確性與不同密實度下的適用性。
　　針對離散元仿真計算量過

4、大的問題，利用等效思想建立了淺層月壤鉆取模型與深層月壤鉆取模型，通過大邊界鉆取仿真分析了顆粒運動規(guī)律與速度場，描繪了鉆頭附近顆粒運動U型鏈，通過應(yīng)力場對比確定了等效仿真邊界。通過密實月壤上施加大密度等效顆粒組進行不同深度環(huán)境仿真，對鉆頭與鉆桿分別進行等效深度建模，并通過仿真預(yù)鉆進與恒壓面控制保證模型真實性，最后通過力矩合成得到任意深度下鉆具力矩。搭建了地面模擬月壤鉆取試驗平臺，將試驗所得力矩曲線與深層鉆取仿真力矩預(yù)測曲線進行對比，驗證了

5、深層月壤鉆取模型的正確性，后將重力環(huán)境設(shè)置為月球重力，預(yù)示了月球重力下鉆頭、鉆桿力矩及合力矩分別下降為地球重力下的17％、41%、38%，空轉(zhuǎn)力矩影響明顯。
　　工程上十分關(guān)注月壤中存在大顆粒巖塊對鉆進過程的影響，本文定義直徑小于鉆頭虛擬切削圓的大顆粒為較大顆粒，反之為超大顆粒，分別針對表層月壤存在較大顆粒與超大顆粒巖塊以及深層月壤中存在超大顆粒情況進行了鉆取仿真，將大顆粒位置處于中央或切削齒下方與無大顆粒情況進行對比，分析了大顆

6、粒運動軌跡、采樣效率以及力載曲線，結(jié)果表明較大顆粒容易在小顆粒推動下向樣品端部運動，對鉆取過程幾乎無影響，超大顆粒由于無法進入鉆頭容易堵塞在鉆頭底部，但對進樣影響表層與深層完全相反。表層月壤中的超大顆粒明顯阻礙進樣，深層月壤中的超大顆粒則不影響進樣且阻礙樣品下滑，有助于提高取樣效率。無論表層深層當(dāng)超大顆粒位于鉆頭正下方時，力載特征呈現(xiàn)為力矩曲線無變化，軸向力有所提高，而超大顆粒位于切削齒下方時，軸向力與力矩均增大且呈現(xiàn)大量離散性脈沖峰值

7、。力載曲線特征可用于識別大顆粒存在情況，表層中存在超大顆粒對鉆取過程負面影響最大，但由于力載數(shù)值較小，特征不明顯，最難識別。
　　工程上關(guān)注不同取芯方式對樣品層理信息的保護性以及鉆頭結(jié)構(gòu)對進樣量的影響，本文提出曲面斜率法與失效界限進行層理信息描述與評價，對硬質(zhì)管取芯與軟袋取芯方式進行鉆取仿真，結(jié)果表明軟袋取芯整體優(yōu)于硬質(zhì)管取芯，尤其對外側(cè)顆粒的層理保持特性較好且隨鉆深增加體現(xiàn)更為明顯。軟袋取芯方式的仿真結(jié)果表明樣品全部來自于鉆頭下