基于地面试验数据的钻具与月壤相互作用建模与修正

摘要

探月工程进入第三阶段后的主要任务是通过钻采的方式从月球获取月壤样品并成功带回地球。在深层月壤钻采过程中，钻压力和扭矩是反映钻进工作状态的重要指标，钻压力或扭矩值异常会导致采样效果不佳甚至任务失败。因此为解决钻进过程中钻压力及扭矩的预估问题本文基于地面试验数据建立了深层月壤钻采稳定钻进阶段的钻具与月壤相互作用模型，该模型可以根据钻进比计算出钻压力和扭矩在不同深度下的值，并给出钻进比对钻压力和扭矩的影响规律，对实际采样时力载的预测以及钻进策略的选择具有指导意义。
　　以月壤颗粒的几何参数和材料参数作为基本参量，建立月壤颗粒的三维离散元模型，根据真实月壤的相关性质，标定一组细观参数使模型的内聚力为0.90kPa、内摩擦角为42.25?，满足真实月壤宏观力学性能指标。利用标定后的离散元模型进行钻采过程的仿真，观察月壤颗粒的运动，可以发现在稳定钻进阶段，超过钻具周向一定距离的月壤颗粒基本不发生运动，超过钻头下方一定距离的月壤颗粒也基本不发生运动，钻头与钻杆相连处月壤颗粒会随回转作用上升并有部分颗粒会回落，因此可看作进行循环运动。基于以上分析提出假设：月壤颗粒运动区域是固定的且钻头与钻杆相连处月壤状态不发生改变。
　　将钻头附近发生运动的月壤颗粒划分为相互作用的密度区域、钻头进样口区域以及钻头与钻杆连接区域三个区域，非运动区域的月壤为自然密度，根据质量守恒定律，推导出钻具与月壤发生相互作用区域的月壤密度变化模型，进而得到钻压力和扭矩模型。之后通过四组不同钻进规程下的地面模拟月壤钻采试验数据计算出模型中的密度修正系数，并拟合出作用域半径与钻进比的经验关系式以及钻压力和扭矩转换系数分别与钻进比的经验关系式。最后通过其他试验数据对模型进行验证。结果表明：模型计算出的钻采过程中钻压力和扭矩与试验值接近，误差在10%以内。同时该模型反映出稳定钻进阶段钻压力和扭矩的变化规律为：钻压力会随钻进深度的增加呈现加速增大的趋势，而扭矩基本呈现匀速增加的趋势；相同深度处的钻压力和扭矩大小则和钻进比有关，钻进比越大，钻压力越小，扭矩越大。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2月壤采样的现状

1.3月壤钻取研究方法的现状

1.4主要研究内容

第2章 基于离散元的月壤颗粒运动分析

2.1引言

2.2月壤三维离散元模型

2.3离散元模型细观参数标定

2.4月壤颗粒运动过程

2.5本章小结

第3章 钻具与月壤相互作用模型

3.1引言

3.2理论模型

3.3修正模型

3.4本章小结

第4章 模型验证

4.1引言

4.2模型验证

4.3基于模型的钻进规律

4.4模型缺陷

4.5本章小结

结论

参考文献

声明

致谢