深层月壤取心钻头构型设计及其力载特性研究

摘要

我国月面钻取采样任务的主要目标是获取月表以下2m深且具有连续层理信息的月壤样品并返回地球,月球表面环境的复杂性和着陆器携带能量的有限性给采样任务的完成带来了很大的困难。针对月面采样过程中钻进力载不能过大,以防止着陆器发生倾覆的情况,本文在研究了国外地外星体采样技术和地面钻探技术的基础上,研制了一种具有阶梯形式的取心钻头。通过理论分析、仿真模拟和地面试验等手段,获得了取心钻头构型参数对钻进力载的影响规律。
　　通过对月壤的物理性质和力学性质进行的研究,确定了主要性质参数的变化区间以及随深度的变化趋势,为取心钻头与月壤相互作用力学模型的建立提供了基础;对国内外模拟月壤的组成成分和制备方式进行了研究,制备了三类地面试验用模拟月壤,并建立了均质模拟月壤的本构模型,为模拟取心钻头钻进均质模拟月壤的有限元仿真提供了基础,并为地面模拟试验的规划提供了指导。
　　结合地质钻探中取心钻头的设计经验,提出了一种具有阶梯形式的取心钻头构型。基于取心钻头切削具作用土壤的失效机理和边界简化方式,建立了极限平衡状态下切削具切削月壤的力学模型,得出了取心钻头钻进月壤的钻压力与回转扭矩的解析模型,根据该模型研究了切削具切削角、底出刃高度和刃宽等构型参数对钻进力载的影响,并对取心钻头钻进月壤的初始钻进力载进行了预估。
　　编写了基于Duncan-Chang模型的UMAT子程序,在有限元软件中建立了取心钻头与均质模拟月壤的相互作用力学模型,对钻进过程进行了仿真,得出了取心钻头钻进所需的钻压力和回转扭矩随钻进深度的变化情况;对切削具切削二维和三维月壤进行了模拟,验证了月壤的失效形式和边界简化假设的正确性;对取心钻头的阶梯形式和切削具镶焊方式、切削具刃宽和底出刃高度等构型参数对切削力的影响进行了仿真分析,得出了取心钻头采用阶梯形式能够比较好的降低钻进力载,而且获得了切削具镶焊方式、切削具刃宽和底出刃高度对切削力的影响规律。
　　进行了针对均质模拟月壤和岩石的地面模拟钻进试验,采用单一构型参数变化而其他构型参数相同的对比钻头进行钻进试验对比分析,得出了取心钻头阶梯形式、阻隔环、切削具安装方式和钻头体锥角等取心钻头构型对钻进力载的影响规律。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的与意义

1.2 地外天体钻取采样技术综述

1.3 国内外对模拟月壤的研究现状

1.4 课题主要研究内容

第2章 月壤物理力学性质及均质模拟月壤本构模型的建立

2.1 引言

2.2 月壤的物理及力学特性

2.3 模拟月壤的制备

2.4 均质模拟月壤本构模型的建立

2.5 本章小结

第3章 取心钻头构型及其对力载特性影响研究

3.1 引言

3.2 取心钻头构型概述

3.3深层月壤取心钻头构型设计

3.4 阶梯型取心钻头的结构及参数

3.5 阶梯型取心钻头与月壤作用力学模型

3.6 基于力学模型的构型参数对钻进力载的影响分析

3.7 取心钻头初始钻进力载预估

3.8 本章小结

第4章 取心钻头钻进均质模拟月壤有限元仿真分析

4.1 引言

4.2 用户自定义材料子程序UMAT

4.3 取心钻头钻进均质模拟月壤有限元仿真

4.4 切削具切削月壤失效模型的有限元仿真

4.5 取心钻头构型对切削力影响的有限元仿真

4.6 本章小结

第5章 取心钻头构型对力载特性影响的试验研究

5.1 引言

5.2 全参数钻取采样试验平台

5.3 取心钻头构型对钻进力载影响的地面模拟试验

5.4 取心钻头地面钻进试验总结

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它成果

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