月壤-模擬月壤力學(xué)特性顆粒流數(shù)值模擬研究.pdf

1、對(duì)月壤力學(xué)特性的研究是探月工程中的重要研究課題，而模擬月壤是相關(guān)模型試驗(yàn)的主要研究對(duì)象。月壤/模擬月壤在本質(zhì)上都是具有離散特性的顆粒材料，顆粒特性（特別是顆粒的形狀特征）對(duì)其力學(xué)特性有著重要影響。離散元法根據(jù)物質(zhì)本身的離散特性建立數(shù)值模型，在模擬研究月壤這類本質(zhì)為非連續(xù)性的顆粒材料時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì);本文基于離散元法理論，通過顆粒流數(shù)值模擬研究分析了模擬月壤顆粒特性與抗剪強(qiáng)度力學(xué)特性之間的關(guān)聯(lián)，并對(duì)月壤的靜力觸探試驗(yàn)進(jìn)行FEM-DEM多尺

2、度數(shù)值模擬研究，主要研究結(jié)論如下:
　　(1)利用火山灰作為原料配制了研究所需的模擬月壤，對(duì)比分析其與真實(shí)月壤樣品及其它主要模擬月壤在顆粒細(xì)觀結(jié)構(gòu)、顆粒比重、粒徑分布、堆積密度、孔隙比、密實(shí)度等物理性質(zhì)以及壓縮性等力學(xué)性質(zhì)方面的差異，結(jié)果表明本文模擬月壤在顆粒形狀、顆粒表面粗糙度等細(xì)觀結(jié)構(gòu)和月壤樣品及其它主要模擬月壤相似，其基本物理性質(zhì)及壓縮性也都在實(shí)際月壤以及其它主要模擬月壤的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)值范圍之內(nèi)。
　　(2)顆粒流

3、數(shù)值模擬在計(jì)算過程中能對(duì)顆粒的排列狀態(tài)、接觸力鏈、位移場(chǎng)等實(shí)時(shí)記錄并提取，并能形象直觀地反映出速度場(chǎng)、位移場(chǎng)以及力場(chǎng)等參量的變化情況，在研究月壤/模擬月壤等非連續(xù)性顆粒材料時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。顆粒流數(shù)值模擬在探月工程月壤相關(guān)巖土問題研究中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面:月壤顆粒接觸模型的修正、模型細(xì)觀參數(shù)的選取、對(duì)月壤顆粒形狀的模擬以及對(duì)月壤力學(xué)特性以及月壤與車輪相互作用的模擬研究等。
　　(3)通過細(xì)致的靜三軸試驗(yàn)對(duì)所配制的模擬月壤進(jìn)行

4、抗剪強(qiáng)度力學(xué)特性試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，模擬月壤的峰值內(nèi)摩擦角介于43°～51°之間，粘聚力約為0.37～4.90 kPa，且模擬月壤的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著試樣的相對(duì)密度和試驗(yàn)圍壓的增大而增強(qiáng)。利用PFC3D軟件建立三軸試驗(yàn)的顆粒流數(shù)值模型，分析了顆粒間摩擦系數(shù)、初始孔隙率以及顆粒剛度這三個(gè)細(xì)觀參數(shù)對(duì)模擬月壤抗剪強(qiáng)度性質(zhì)的影響，模擬結(jié)果表明，顆粒間摩擦系數(shù)是影響模擬月壤抗剪強(qiáng)度特性的主要因素。
　　(4)對(duì)模擬月壤的組成顆粒進(jìn)行體視顯微

5、鏡掃描觀察，結(jié)果表明，模擬月壤顆粒形狀各異，大粒徑顆粒具有明顯的蜂窩狀氣孔結(jié)構(gòu)，顆粒表面相對(duì)凹凸且具有棱角、鋸齒、鉤角等不規(guī)則結(jié)構(gòu)。利用圖形處理軟件對(duì)各粒徑組顆粒的形狀特征參數(shù)進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，模擬月壤的主要形狀有圓形，類橢圓形，類三角形和類四邊形。利用PFC3D軟件建立模擬月壤三種典型非常規(guī)形狀的數(shù)值模型并模擬其三軸壓縮試驗(yàn)，模擬結(jié)果表明，顆粒形狀對(duì)試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值有明顯的影響;其中構(gòu)造出的類橢球體顆粒的內(nèi)摩擦角和粘聚力

6、值最大，類三角體和類正方體顆粒的抗剪強(qiáng)度次之，球體顆粒的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值則最小;當(dāng)顆粒形狀都是類三角體時(shí)，凹凸度越大，試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值也越大。
　　(5)基于對(duì)模擬月壤顆粒形狀特征的試驗(yàn)研究結(jié)果，利用PFC2D軟件對(duì)20種典型模擬月壤顆粒實(shí)際形狀建立數(shù)值模型，并通過雙軸壓縮試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)比研究了顆粒形狀對(duì)模擬月壤抗剪強(qiáng)度力學(xué)特性的影響。模擬結(jié)果表明:相對(duì)于圓形顆粒試樣來說，異形顆粒試樣在加載前后都存在更加明顯的孔隙，并且粒徑越大的異

7、形顆粒邊上更容易出現(xiàn)較大的孔隙。在相同試驗(yàn)條件下，帶有異形顆粒的模擬月壤試樣在加載過程中的峰值偏應(yīng)力值更大，也存在更加明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象;顆粒實(shí)際形狀對(duì)模擬月壤的抗剪強(qiáng)度有著重要影響，異形顆粒試樣的內(nèi)摩擦角比圓形顆粒試樣的內(nèi)摩擦角要大5°左右，而粘聚力則大0.2 kPa左右。
　　(6)采用FEM-DEM多尺度數(shù)值模擬方法對(duì)月壤的靜力觸探試驗(yàn)建立多尺度數(shù)值分析模型，再現(xiàn)了靜力觸探過程中月壤顆粒的流動(dòng)情況，并定性分析了觸探儀總貫入阻