月壤钻取采样钻进导向机构设计与分析

摘要

我国探月三期的主要目标之一是利用钻取采样装置获取不小于2米深度的月壤样品并返回地球，钻进导向机构作为钻取采样装置的重要组件，为多种输入工况下的钻具提供支撑和导向功能，其合理的设计是保证钻取采样装置顺利采样的关键。国内外对于特殊环境下的钻进导向机构研究甚少，如何设计出具有优良导向性能的导向机构仍是一个未知的问题。因此，研究钻进导向机构从构型到结构设计对保证钻具的钻进精度和提高钻取采样的可靠性具有重要意义。
　　分析钻进导向机构的功能需求和技术指标，提取钻进导向机构的设计要素，设计其合理构型。针对构型中导轨副摩擦形式和接触类型的不同，提出多种设计方案并分析各方案的工作原理及优缺点。引入层次分析法建立导轨副的评价模型，采用定性和定量相结合的分析方法计算各方案的权重，为钻进导向机构构型方案的优选提供依据。
　　针对优选出的钻进导向机构构型，提取关键结构参数，进行导向机构导向性能参数化研究。分析钻进导向机构力学边界条件和外界载荷等效方式，建立导向精度、钻具挠曲变形和赫兹接触应力的数学模型并给出相应的约束条件，得到钻进导向机构上述评价导向性能的指标与自身结构参数之间的关系，初步确定各参数的取值范围，为钻进导向机构的结构设计奠定理论基础。
　　明确钻进导向机构的功能组成和导向机构在钻取采样任务全周期中的力学环境，对钻进导向机构的关键组成部件进行结构设计，并进行相应静力学分析和环境适应性分析。运用有限元分析方法模拟月壤钻取采样极限工况，分析钻进导向机构的刚度和强度并预计质量，进一步对钻进导向机构的强度和刚度进行校核。
　　给出钻进导向机构力学条件并设置相关仿真参数，建立钻进导向机构的三维仿真模型。在多体动力学软件中模拟月面极限工况，对钻具施加不同方向的扰动力，得到导向机构各支撑处的接触力和钻机质心位移随时间变化的趋势，验证静力学模型中导向机构姿态的正确性并分析各平面的抗偏载能力。计算钻进导向机构的导向精度，对钻进导向机构在钻取采样任务中的导向性能进行评价，为取芯钻具及限幅机构等相关结构的设计分析提供理论参考。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 国外地外天体探测器采样装置研究概况

1.3 国内月面钻取采样装置研究现状

1.4 课题主要研究内容

第2章 钻进导向机构多方案设计

2.1 引言

2.2 钻进导向机构系统组成及设计要求

2.3 钻进导向机构构型综合

2.4 多方案层次分析评价模型

2.5 钻进导向机构多方案评价与优选

2.6 本章小结

第3章 钻进导向机构导向性能建模与分析

3.1 引言

3.2 钻进导向机构关键结构参数

3.3导向长度建模与分析

3.4 钻进导向机构不同支撑条件下导向性能建模与分析

3.5 滑辊部件与导杆相互作用研究

3.6 本章小结

第4章 钻进导向机构结构设计

4.1 引言

4.2 钻进导向机构功能组成及任务分析

4.3 导杆设计

4.4 滑辊部件设计

4.5 固定支撑设计

4.6 钻进导向机构强度与刚度分析

4.7 本章小结

第5章 钻进导向机构性能仿真分析

5.1 引言

5.2 钻进导向机构三维仿真模型及其参数设置

5.3 XY平面钻进导向机构的动力学仿真分析

5.4 XZ平面钻进导向机构的动力学仿真分析

5.5 钻机质心偏移量

5.6 钻进导向机构导向精度分析

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

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