月面钻取采样冲击钻进作用研究

摘要

月面钻取采样面临着低重力、高真空、月壤力学性质未知等复杂因素的干扰。为了弥补可用钻压力的不足，月面钻取采样过程中需要引入冲击激励作用。受航天运载能力等因素的限制，采样机构需要具有轻便、低功耗、高效率、高可靠性的特点。而钻取采样冲击系统的可靠运作是整个钻取采样任务中较为关键的一环。本文面向月面钻取采样的工程需求，以月面钻取采样冲击钻进系统为主要研究对象，开展了冲击钻进作用的研究。
　　本文首先通过动力学仿真与理论分析，给出了月面钻取采样弹簧—激振块激振驱动机构的工作特性。对激振驱动机构冲击作用过程中的冲击功、碰撞速度及碰撞力作了理论推导。通过ADAMS动力学仿真进一步验证了理论推导的正确性，结果表明激振驱动机构能够完好地实现冲击激励作用。其次运用一维波动力学方法对冲击作用下钻具的应力波传递特性进行了建模分析。通过理论推导给出了激振块—钻杆接头的入射应力波形，给出了变阻抗钻具的应力波能量透射率及应力波透射率公式。对脆性岩石下的凿入过程进行了分析，结果表明在凿岩过程中激振块会发生回弹；对冲击作用沿取芯管传递的问题进行了分析，结果表明取芯管波阻抗越小受到的冲击扰动越少。最后，基于显式有限元方法对月面钻取采样钻具受冲击的动力学过程进行了数值模拟。通过建立激振块—钻具冲击有限元模型，开展了钻具冲击能量传递性能的研究。结果表明基于一维应力波理论推导得出的钻具应力波能量透射率、应力波透射率的结果与有限元计算结果差异不大；重锤回弹会造成能量传递率的下降，引起冲击凿岩效率的降低。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外相关领域研究概况

1.2.1 地外钻探采样技术研究概况

1.2.2 冲击钻进能量传递研究概况

1.3 本文主要研究

第2章 钻取采样装置冲击钻进机构动力学分析

2.1激振驱动机构动力学理论分析

2.1.1 激振驱动原理

2.1.2 激振块响应时间

2.1.3 单次冲击功

2.1.4 碰撞速度及碰撞力

2.2 冲击钻进机构动力学仿真分析

2.2.1 参数定义

2.2.2 仿真结果

2.3 本章小结

第3章 冲击钻进系统波动力学分析

3.1激振块—钻杆接头冲击入射应力波

3.1.1 第一阶入射波

3.1.2 第二阶入射波

3.1.3 第三阶入射波

3.1.4 总入射应力波

3.2 变截面变阻抗杆对冲击能量传递的影响

3.2.1 单次透射应力波能量透射率

3.2.2 总能量透射率

3.2.3 应力波幅值比的求解

3.3 钻杆—保持芯管冲击传递分析

3.4 钻具应力波传播特性分析

3.5 冲击破岩的理论分析

3.5.1 月岩

3.5.2 有效凿深的推导

3.5.3 凿入过程中的回弹分析

3.6 本章小结

第4章 钻取采样冲击钻进数值模拟

4.1有限元方法

4.1.1弹性动力学有限元基本解法

4.1.2 ABAQUS显式动力学分析

4.2有限元方法描述应力波问题有效性验证

4.2.1有限元建模

4.2.2 计算结果及分析

4.3 重锤—钻具有限元建模与分析

4.3.1 有限元建模

4.3.2 仿真结果分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢