深层采样全过程月壤样品层理保持特性分析

摘要

随着“嫦娥三号”月球探测器成功发射、软着陆器成功落月、月球车成功巡视月面环境，我国探月工程已加紧步伐进入了第三阶段——采样返回。采集月壤并收集返回是该阶段任务的核心工程问题，对于深层月壤采样任务，由于获得的月壤样品具有一定深度，期望收集返回的月壤样品在数量充足的基础上，还能较好地保持原位月壤的月质信息，即能够保持原位月壤的层理特性。因此，本文针对深层采样全过程（钻进过程，提芯、整形过程）进行月壤样品层理保持特性研究，并重点分析影响整形过程月壤样品层理保持特性的因素。
　　基于离散元方法建立月壤颗粒接触碰撞三维模型，在传统Hertz模型基础上考虑月壤颗粒间弯曲、扭转力矩作用，同时对月壤颗粒间存在的静电引力、范德华力等场作用力进行等效，提出弹簧等效引力作用并设定最大引力失效区，得到考虑等效引力的颗粒间法向、切向接触力及弯曲、扭转力矩计算方法。利用离散元三轴仿真试验，标定月壤离散元模型的细观参数。设置9个细观参数，采用单一变量法分析每一细观参数对月壤离散元模型宏观力学特性的影响。在真实月壤宏观力学特性指标下，标定一组月壤离散元模型细观参数，并通过计算得到：月壤离散元模型的内聚力c为0.90kPa、内摩擦角?为42.25°。
　　对深层采样全过程进行模拟仿真，采用“分层概率法”分析月壤样品的层理保持特性，结果表明：钻进过程结束后，各层月壤样品层理保持特性均受到一定破坏，但深层月壤要好于浅层月壤；提芯、整形过程结束后，各层月壤样品层理保持特性发生进一步破坏。基于上述现象，对整形过程进行单独模拟仿真，分析该过程下影响月壤样品层理保持特性的因素，结果表明：样品填充率的变化仅对首层月壤样品存在影响，填充率越大，首层月壤样品的层理保持特性越好；取样袋缠绕半径的增大会使得各层月壤样品的层理保持特性变好，取样袋缠绕速度的增大同样有益于月壤样品层理特性的保持。

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第1章 绪论

1.1课题背景及研究目的与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1月球探测研究现状

1.2.2星壤采样研究现状

1.2.3月壤离散元建模研究现状

1.3本文主要研究内容

第2章 基于离散元法的月壤颗粒接触碰撞模型

2.1引言

2.2月壤三维离散元模型

2.2.1碰撞检测理论

2.2.2接触碰撞基本参量

2.2.3接触碰撞力载分析

2.3离散元模型细观参数标定

2.3.1土体破坏理论

2.3.2宏观、细观参数

2.3.3三轴仿真实验设计

2.3.4细观参数标定

2.4本章小结

第3章 深层采样全过程层理保持特性分析

3.1引言

3.2层理保持评价方法

3.3深层采样全过程仿真设计

3.3.1月壤离散元建模

3.3.2钻具、取样袋离散元建模

3.3.3仿真规程参数设计

3.4采样全过程层理特性分析

3.4.1钻进过程

3.4.2提芯、整形过程

3.5本章小结

第4章 整形过程层理保持特性分析

4.1引言

4.2整形过程仿真设计

4.2.1月壤、取样袋离散元建模

4.2.2仿真规程参数设计

4.3整形过程层理特性分析

4.3.1样品填充率

4.3.2取样袋缠绕半径

4.3.3取样袋缠绕速度

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢