基于离散元法的月壤钻取动力学研究

摘要

随着我国探月三期工程的顺利开展，月壤钻进取样成为当前航天领域的重点任务。月壤钻取属于极端条件下的钻探问题，是钻探领域技术难度最高的问题之一，由于月球低重力、无水无空气等极端环境以及月壤高内摩擦角低内聚力的特殊力学属性，在地面进行真实环境模拟难度很大，加之空间任务要求钻具系统必须质量轻、功耗低、强度大，因此须深入开展钻进过程机土作用的动力学研究，为钻具结构设计、规程设计、材料设计等提供理论依据。由于地面试验无法观测土壤内部情况且耗资巨大，而理论分析受过多假设条件局限，因此本文选用离散元方法建立月壤本构模型与钻取仿真模型，并对工程上所关注的低重力载荷、大颗粒影响、层理保持特性以及钻头结构影响等问题进行动力学仿真分析。
　　针对月壤的特殊力学性质，本文基于离散元方法构建了离散颗粒间线刚度非张力本构关系与含表观黏聚的本构关系，总结了不同张力添加方式的特点并提出了张力最适作用规律。根据力的作用形式及月壤化学成分解释了弹簧张力的合理性，提出了初态胶结假设并基于此最终建立了变本构月壤三维离散元模型。详细阐述了基于边界振动控制的三轴仿真试验不同密实度样本制备过程，通过三轴仿真试验得到了模型各细观参数对宏观抗剪强度的影响规律并进行参数标定，最终模型在浅层与深层密实度下三轴仿真曲线与真实月壤地面试验曲线重合度均较高，浅层疏松月壤内聚力0.9kPa、内摩擦角42.25°，深层密实月壤内聚力2.6kPa、内摩擦角50.88°，符合最佳估计值，保证了模型的精确性与不同密实度下的适用性。
　　针对离散元仿真计算量过大的问题，利用等效思想建立了浅层月壤钻取模型与深层月壤钻取模型，通过大边界钻取仿真分析了颗粒运动规律与速度场，描绘了钻头附近颗粒运动U型链，通过应力场对比确定了等效仿真边界。通过密实月壤上施加大密度等效颗粒组进行不同深度环境仿真，对钻头与钻杆分别进行等效深度建模，并通过仿真预钻进与恒压面控制保证模型真实性，最后通过力矩合成得到任意深度下钻具力矩。搭建了地面模拟月壤钻取试验平台，将试验所得力矩曲线与深层钻取仿真力矩预测曲线进行对比，验证了深层月壤钻取模型的正确性，后将重力环境设置为月球重力，预示了月球重力下钻头、钻杆力矩及合力矩分别下降为地球重力下的17％、41%、38%，空转力矩影响明显。
　　工程上十分关注月壤中存在大颗粒岩块对钻进过程的影响，本文定义直径小于钻头虚拟切削圆的大颗粒为较大颗粒，反之为超大颗粒，分别针对表层月壤存在较大颗粒与超大颗粒岩块以及深层月壤中存在超大颗粒情况进行了钻取仿真，将大颗粒位置处于中央或切削齿下方与无大颗粒情况进行对比，分析了大颗粒运动轨迹、采样效率以及力载曲线，结果表明较大颗粒容易在小颗粒推动下向样品端部运动，对钻取过程几乎无影响，超大颗粒由于无法进入钻头容易堵塞在钻头底部，但对进样影响表层与深层完全相反。表层月壤中的超大颗粒明显阻碍进样，深层月壤中的超大颗粒则不影响进样且阻碍样品下滑，有助于提高取样效率。无论表层深层当超大颗粒位于钻头正下方时，力载特征呈现为力矩曲线无变化，轴向力有所提高，而超大颗粒位于切削齿下方时，轴向力与力矩均增大且呈现大量离散性脉冲峰值。力载曲线特征可用于识别大颗粒存在情况，表层中存在超大颗粒对钻取过程负面影响最大，但由于力载数值较小，特征不明显，最难识别。
　　工程上关注不同取芯方式对样品层理信息的保护性以及钻头结构对进样量的影响，本文提出曲面斜率法与失效界限进行层理信息描述与评价，对硬质管取芯与软袋取芯方式进行钻取仿真，结果表明软袋取芯整体优于硬质管取芯，尤其对外侧颗粒的层理保持特性较好且随钻深增加体现更为明显。软袋取芯方式的仿真结果表明样品全部来自于钻头下方取芯管直径范围内，样品颗粒呈跳动下降行为，结合层理变化规律，描绘了软袋内样品颗粒的循环运动圈。并以避免漏样为目的分析了钻头结构影响，结果表明棱柱切削齿配合补体圈能够显著提高进样效率，而钻头钻杆连接处形成的内径扩张对进样几乎无影响。

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第1章 绪论

1.1课题来源

1.2研究目的及意义

1.3月球探测与星际土壤取样现状

1.4月壤钻取研究现状

1.5离散元在月壤研究中的应用现状

1.6本文主要研究内容及组织结构

第2章 月壤三维离散元建模

2.1引言

2.2月壤力学性质描述

2.3月壤三维离散元模型

2.4离散元模型细观参数整定

2.5本章小结

第3章 月壤钻取过程离散元仿真模型

3.1引言

3.2浅层月壤钻取仿真模型

3.3深层月壤钻取仿真模型

3.4深层月壤钻取模型验证与力载预示

3.5本章小结

第4章 大颗粒岩块对钻取过程影响分析

4.1引言

4.2表层存在大颗粒岩块对月壤钻取影响

4.3深层存在大颗粒岩块对月壤钻取影响

4.4本章小结

第5章 月壤钻取取芯特性分析

5.1引言

5.2月壤样品层理保持特性分析

5.3钻头结构对进样影响分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

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