月壤钻取采样装置加载机构设计与研究

摘要

我国探月工程三期主要任务之一是通过钻采方式获取深度不小于2米的月壤样品。加载机构作为在钻采过程中提供钻压力和控制钻进速度的重要装置，其卓越的性能及结构可靠性是保证钻取采样成功的关键因素。由于国外的技术封锁及国内在此方面起步较晚，目前鲜有月面钻取采样用加载机构的研究资料。为分析加载机构性能，确定参数优化设计方向，需要对加载机构进行结构设计与性能分析，为我国探月工程三期月面采样系统提供技术支持。
　　依照探月工程三期钻取采样任务的总体规划，明确加载机构的功能要求并对其任务剖面进行分析。建立加载机构裕度分析模型，在对其驱动力裕度分析基础上进行加载输出单元的裕度设计。为保证加载机构高可靠性，应用FMEA和FTA可靠性方法对加载机构进行建模与分析，定性和定量的阐明加载机构中各部件故障与整体可靠性的关系，得出加载机构的可靠性关键环节。
　　从加载绳与卷筒的连接方式与缠绕方式两方面，对加载绳与卷筒连接接口结构分别提出2种方案。建立钢丝绳与卷筒作用力学模型，分析不同工况下结构参数与加载性能间的关系并进一步确定4种方案下加载机构结构参数。应用层次分析法根据相应评价标准建立评价模型并确定最佳方案。
　　设计加载驱动单元结构方案，建立加载轴系力学模型并仿真校核轴系受力状态。通过静力和热力仿真分析，确定导向轮关键尺寸优选参数。建立钢丝绳抛物线模型，根据任务环境从静力、振动、附加内力三方面分析预紧力与钢丝绳性能的关系并确定最小初始预紧力。建立卷筒筒壁单元梁模型，推导卷筒在钢丝绳缠绕下的变形公式并仿真得出两种极端位置下卷筒受力变形。
　　考虑加载机构刚柔混合结构特性，不断细化加载机构的动力学模型。在建立刚体、弹性动力学模型基础上，应用集中参数法引入间隙、阻尼等柔性环节建立加载机构各子部件物理模型，得到考虑柔性环节的加载机构动力学方程。对加载机构在钻具钻进月壤/月岩两种工况下动力学特性进行数值模拟并分析其在典型负载下的响应。应用Adams Cable模块对绳轮系统进行建模与仿真，分析钢丝绳参数对系统响应的影响。通过变参数分析，得到加载机构参数与响应的关系。

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第1章 绪 论

1.1课题来源及研究目的和意义

1.2国外地外天体采样技术研究现状

1.3国内月面采样技术研究现状

1.4分析与启示

1.5课题主要研究内容

第2章 加载机构裕度与可靠性分析

2.1加载机构功能设计

2.2加载机构裕度分析与设计

2.3加载机构可靠性建模与分析

2.4本章小结

第3章 加载绳连接及缠绕方式设计研究

3.1加载绳连接及缠绕方式多方案设计

3.2加载绳连接方式设计研究

3.3加载绳缠绕方式设计研究

3.4加载绳与卷筒连接接口结构方案评价

3.5本章小结

第4章 加载机构关键部件结构与力学分析

4.1加载驱动单元结构方案

4.2加载导向轮关键尺寸匹配性分析

4.3加载钢丝绳预紧力建模与分析

4.4加载卷筒弯曲变形建模与仿真

4.5本章小结

第5章 加载机构动力学建模与分析

5.1加载机构刚体动力学建模

5.2加载机构弹性动力学建模

5.3考虑柔性环节加载机构动力学建模

5.4考虑柔性环节加载机构动力学数值模拟与分析

5.5绳轮系统动力学建模与仿真分析

5.6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

声明

致谢

附录