月壤/模拟月壤力学特性颗粒流数值模拟研究

摘要

对月壤力学特性的研究是探月工程中的重要研究课题，而模拟月壤是相关模型试验的主要研究对象。月壤/模拟月壤在本质上都是具有离散特性的颗粒材料，颗粒特性（特别是颗粒的形状特征）对其力学特性有着重要影响。离散元法根据物质本身的离散特性建立数值模型，在模拟研究月壤这类本质为非连续性的颗粒材料时具有独特的优势;本文基于离散元法理论，通过颗粒流数值模拟研究分析了模拟月壤颗粒特性与抗剪强度力学特性之间的关联，并对月壤的静力触探试验进行FEM-DEM多尺度数值模拟研究，主要研究结论如下:
　　(1)利用火山灰作为原料配制了研究所需的模拟月壤，对比分析其与真实月壤样品及其它主要模拟月壤在颗粒细观结构、颗粒比重、粒径分布、堆积密度、孔隙比、密实度等物理性质以及压缩性等力学性质方面的差异，结果表明本文模拟月壤在颗粒形状、颗粒表面粗糙度等细观结构和月壤样品及其它主要模拟月壤相似，其基本物理性质及压缩性也都在实际月壤以及其它主要模拟月壤的物理力学性质参数值范围之内。
　　(2)颗粒流数值模拟在计算过程中能对颗粒的排列状态、接触力链、位移场等实时记录并提取，并能形象直观地反映出速度场、位移场以及力场等参量的变化情况，在研究月壤/模拟月壤等非连续性颗粒材料时具有独特的优势。颗粒流数值模拟在探月工程月壤相关岩土问题研究中的应用主要有以下几个方面:月壤颗粒接触模型的修正、模型细观参数的选取、对月壤颗粒形状的模拟以及对月壤力学特性以及月壤与车轮相互作用的模拟研究等。
　　(3)通过细致的静三轴试验对所配制的模拟月壤进行抗剪强度力学特性试验研究，试验结果表明，模拟月壤的峰值内摩擦角介于43°～51°之间，粘聚力约为0.37～4.90 kPa，且模拟月壤的抗剪强度会随着试样的相对密度和试验围压的增大而增强。利用PFC3D软件建立三轴试验的颗粒流数值模型，分析了颗粒间摩擦系数、初始孔隙率以及颗粒刚度这三个细观参数对模拟月壤抗剪强度性质的影响，模拟结果表明，颗粒间摩擦系数是影响模拟月壤抗剪强度特性的主要因素。
　　(4)对模拟月壤的组成颗粒进行体视显微镜扫描观察，结果表明，模拟月壤颗粒形状各异，大粒径颗粒具有明显的蜂窝状气孔结构，颗粒表面相对凹凸且具有棱角、锯齿、钩角等不规则结构。利用图形处理软件对各粒径组颗粒的形状特征参数进行量化统计分析，结果表明，模拟月壤的主要形状有圆形，类椭圆形，类三角形和类四边形。利用PFC3D软件建立模拟月壤三种典型非常规形状的数值模型并模拟其三轴压缩试验，模拟结果表明，颗粒形状对试样的抗剪强度指标值有明显的影响;其中构造出的类椭球体颗粒的内摩擦角和粘聚力值最大，类三角体和类正方体颗粒的抗剪强度次之，球体颗粒的抗剪强度指标值则最小;当颗粒形状都是类三角体时，凹凸度越大，试样的抗剪强度指标值也越大。
　　(5)基于对模拟月壤颗粒形状特征的试验研究结果，利用PFC2D软件对20种典型模拟月壤颗粒实际形状建立数值模型，并通过双轴压缩试验模型对比研究了颗粒形状对模拟月壤抗剪强度力学特性的影响。模拟结果表明:相对于圆形颗粒试样来说，异形颗粒试样在加载前后都存在更加明显的孔隙，并且粒径越大的异形颗粒边上更容易出现较大的孔隙。在相同试验条件下，带有异形颗粒的模拟月壤试样在加载过程中的峰值偏应力值更大，也存在更加明显的应变软化现象;颗粒实际形状对模拟月壤的抗剪强度有着重要影响，异形颗粒试样的内摩擦角比圆形颗粒试样的内摩擦角要大5°左右，而粘聚力则大0.2 kPa左右。
　　(6)采用FEM-DEM多尺度数值模拟方法对月壤的静力触探试验建立多尺度数值分析模型，再现了静力触探过程中月壤颗粒的流动情况，并定性分析了触探仪总贯入阻力、锥尖阻力、侧摩阻力随刺入深度的变化情况，以及月面低重力场、探头的锥尖角度、刺入速度对静力触探过程的影响。多尺度数值模拟结果表明:在静力触探过程中，探头的总贯入阻力和锥尖阻力大小会随锥尖角度、重力场及刺入速度的增大而增加，而侧壁摩阻力主要受重力场和刺入速度的影响，与锥尖角度几乎无关。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状及进展

1．3 本文主要工作

第二章 月壤与模拟月壤

2．1 引言

2．2 月壤及其物理力学性质

2．2．1 月壤基本物理性质

2．2．2 月壤基本力学性质

2．3 模拟月壤及其基本物理力学性质

2．3．1 模拟月壤的配制

2．3．2 模拟月壤与月壤基本物理力学性质对比

2．4 本章小结

第三章 颗粒流数值模拟及其在探月工程中的应用

3．1 引言

3．2 颗粒流数值模拟

3．2．1 基本计算原理

3．2．2 颗粒接触模型

3．3 颗粒流数值模拟在探月工程中的应用

3．3．1 颗粒接触模型的修正

3．3．2 模型细观参数研究

3．3．3 月壤基本力学性质的模拟研究

3．3．4 月壤与车轮相互作用的模拟研究

3．4 本章小结

第四章 模拟月壤抗剪强度及其影响因素分析

4．1 引言

4．2 模拟月壤抗剪强度试验研究

4．2．1 模拟月壤三轴试验

4．2．2 试验结果与抗剪强度分析

4．2．3 对比分析

4．3 模拟月壤抗剪强度影响因素分析

4．3．1 三轴试验数值模型

4．3．2 模拟结果与分析

4．4 本章小结

第五章 模拟月壤颗粒形状特征及其对抗剪强度影响分析

5．1 引言

5．2 模拟月壤颗粒形状特征

5．2．1 颗粒形状特征描述

5．2．2 模拟月壤颗粒形状特征试验

5．2．3 与月壤颗粒的对比

5．3 三轴压缩试验数值模拟研究

5．3．1 非常规形状颗粒的模拟

5．3．2 三轴压缩试验数值模拟结果及分析

5．4 本章小结

第六章 模拟月壤颗粒实际形状的模拟及影响分析

6．1 引言

6．2 模拟月壤颗粒形状的模拟

6．2．1 颗粒形状模拟方法

6．2．2 模拟月壤颗粒形状模拟

6．3 双轴压缩试验数值模拟研究

6．3．1 双轴压缩试验数值模型

6．3．2 模拟结果与分析

6．4 本章小结

第七章 月壤静力触探多尺度数值模拟

7．1 引言

7．2 月壤静力触探多尺度模型

7．3 模拟结果与分析

7．3．1 不同刺入深度的影响

7．3．2 不同刺入速度的影响

7．3．3 不同锥尖角度的影响

7．3．4 不同重力场的影响

7．4 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 本文主要研究结论

8．2 进一步工作展望

参考文献

作者简介及学术成果

附录