月面采样钻具回转冲击作用研究

摘要

我国月面钻取采样任务中,采样钻具的钻取能力直接决定了采样任务的完成情况。由于月壤中存在不同粒径、不同硬度等级的月岩,因此钻具对月岩的破碎能力是钻取能力的主要评价指标。为提高采样钻具对岩石的破碎能力,需要采用回转冲击钻进的方式。故本文以回转冲击作用下岩石破碎机理、冲击动力的产生及优化为主线,开展了冲击系统的理论分析、仿真模拟和试验研究。
　　基于脆性岩石的拉伸破碎准则,在充分考虑钻具构型参数的基础上,建立了回转切削作用下钻具与岩石相互作用力学模型,获得侵入深度、钻压力等参数对水平切削力的影响,并对理论模型开展了试验验证;建立了钻具冲击作用下岩石破碎的动力学模型,获得冲击力函数对冲击深度的影响关系。针对典型的脉冲冲击力函数,开展了冲击碎岩数值模拟,验证了模型的正确性。
　　针对钻具驱动装置冲击机构,建立了冲击过程动力学模型,获得双圆柱形激振块几何构型与产生应力波波形函数之间的关系;基于冲击能量传递效率最大的原则,优化冲击应力波波形,获得冲击凿岩过程中冲击能量最大传递效率及其影响因素;基于优化应力波波形,结合冲击机构动力学模型,优化激振块构型;应用显式动力学分析软件LS-DYNA开展冲击过程仿真分析,对比优化前后激振块的冲击效果,证明了优化分析的可行性;开展回转冲击破碎岩石过程数值模拟,获得特定输入参数下岩石的应力分布和钻头侵深曲线,为更深入的参数仿真优化研究打下基础。
　　本文通过试验研究了冲击功、冲击频率和钻压力等宏观参数对钻进效果的影响;分别开展了恒力钻进和恒速钻进模式下,单一参数变化对进尺深度和回转转矩的影响规律,并进一步分析了多参数耦合时的影响规律,从而为月面采样钻具回转冲击参数优化提供了依据。
　　通过理论分析、数值模拟以及试验验证,本文获得了冲击参数对岩石破碎效果的影响规律,为月面采样钻具设计与优化提供了理论支持,同时也为我国月面采样任务的顺利完成奠定了基础。

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目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题主要研究内容

第2章 钻具回转冲击碎岩理论建模与分析

2.1 岩石的物理及力学性质

2.2 回转冲击破碎岩石过程分析

2.3 钻头与岩石相互作用建模

2.4 钻具驱动装置回转冲击参数分析

2.5 本章小结

第3章 激振块与钻杆冲击动力学分析

3.1 应力波基本理论

3.2 钻具驱动装置冲击机构设计与分析

3.3 冲击机构碰撞模型

3.4 冲击碰撞模型试验验证

3.5 本章小结

第4章 冲击系统优化分析与数值模拟

4.1 岩石破碎应力波波形函数优化

4.2 激振块构型优化设计

4.3 回转冲击碎岩过程数值模拟

4.4 本章小结

第5章 回转冲击参数试验研究

5.1 回转冲击钻进试验装置与试验对象

5.2 回转冲击试验参数确定

5.3 恒力进尺模式下回转冲击钻进试验

5.4 恒速进尺模式下回转冲击钻进试验

5.5 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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致谢