新型超声波钻探器驱动特性研究

摘要

钻探是月球、火星乃至未来其它星体的探测任务中获取星壤样品的重要途径。基于压电驱动原理的超声波钻探技术是一种能够适应严峻复杂太空环境和外星体岩层特性的新型钻探采样技术。由超声波钻探技术衍生出的超声波钻探装置克服了传统钻探方式的局限,在深空探测领域展现出显著优势。本文以轻量化、低功耗、高钻探效率为目标,通过理论分析和仿真试验等手段,对新型超声波钻探器的驱动特性开展深入研究。
　　开展超声波钻探器动力源—压电换能器的驱动特性研究。基于梅森等效电路思想,利用力-电-声类比的方法,建立了压电换能器的声电等效网络模型,用以指导压电换能器的设计,确定压电换能器的工作频率,保证超声波钻探器具有较高的电声转换效率,借助有限元分析和激光扫描测振手段对模型进行了验证。
　　开展超声波钻探器动力传递元件—自由质量块的碰撞动力学特性研究。基于非线性动力学理论,建立自由质量块碰撞振动系统离散模型,描述自由质量块的碰撞振动过程。开展机械动力学仿真分析和高速摄像测试试验研究,进一步揭示自由质量块的非线性动力学规律,为自由质量块的设计提供理论指导。
　　钻杆作为超声波钻探器的动力输出元件,直接影响钻探器的破岩效果和钻探效率。基于冲击载荷下岩石的动态损伤与破碎理论,借助LS-DYNA显式动力学软件进行仿真分析,对高频冲击下典型构型的钻杆与岩石的相互作用过程开展研究,获得了冲击载荷下岩石内应力分布和变形结果,揭示了超声波钻探器的破岩机理,为钻杆构型的选择提供理论依据。
　　基于超声波钻探器工作原理及前期理论成果,研制了新型超声波钻探器原理样机。针对不同硬度和可钻性等级的岩石,开展了超声波钻探器地面环境钻探试验研究。分析不同岩石样本的钻探过程中超声波钻探器的功耗和钻进速率,揭示了钻压力和钻杆构型对钻探效率的影响规律,考核了原理样机功能和性能,为我国未来地外星体钻取采样提供参考方法。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 地外天体钻探采样技术发展概述

1.3超声波钻探技术发展概述

1.4 课题主要研究内容

第2章 压电换能器驱动特性研究

2.1 压电陶瓷及其厚度振动模式

2.2 压电换能器的超声波共振

2.3 压电换能器声电等效网络模型的建立

2.4 压电换能器的有限元建模与仿真分析

2.5 压电换能器输出特性测试试验

2.6 本章小结

第3章 自由质量块碰撞动力学特性研究

3.1 自由质量块碰撞振动系统离散模型

3.2 碰撞振动系统动力学仿真

3.3 碰撞振动过程测试试验研究

3.4 本章小结

第4章 高频冲击作用下钻杆与岩石相互作用过程研究

4.1 岩石的力学性质及岩石动态损伤与破碎

4.2 高频冲击作用下钻杆对岩石的相互作用过程分析

4.3 钻杆与岩石相互作用过程仿真与分析

4.4 本章小结

第5章 新型超声波钻探器原理样机研制与试验研究

5.1 新型超声波钻探器原理样机研制

5.2 钻探试验条件

5.3 钻探器功能验证试验

5.4 钻探器功耗测试试验

5.5 新型超声波钻探器钻进效率试验

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它成果

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