基于離散元法的月壤鉆取動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、隨著我國(guó)探月三期工程的順利開展，月壤鉆進(jìn)取樣成為當(dāng)前航天領(lǐng)域的重點(diǎn)任務(wù)。月壤鉆取屬于極端條件下的鉆探問(wèn)題，是鉆探領(lǐng)域技術(shù)難度最高的問(wèn)題之一，由于月球低重力、無(wú)水無(wú)空氣等極端環(huán)境以及月壤高內(nèi)摩擦角低內(nèi)聚力的特殊力學(xué)屬性，在地面進(jìn)行真實(shí)環(huán)境模擬難度很大，加之空間任務(wù)要求鉆具系統(tǒng)必須質(zhì)量輕、功耗低、強(qiáng)度大，因此須深入開展鉆進(jìn)過(guò)程機(jī)土作用的動(dòng)力學(xué)研究，為鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、規(guī)程設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)等提供理論依據(jù)。由于地面試驗(yàn)無(wú)法觀測(cè)土壤內(nèi)部情況且耗資巨大，

2、而理論分析受過(guò)多假設(shè)條件局限，因此本文選用離散元方法建立月壤本構(gòu)模型與鉆取仿真模型，并對(duì)工程上所關(guān)注的低重力載荷、大顆粒影響、層理保持特性以及鉆頭結(jié)構(gòu)影響等問(wèn)題進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。
　　針對(duì)月壤的特殊力學(xué)性質(zhì)，本文基于離散元方法構(gòu)建了離散顆粒間線剛度非張力本構(gòu)關(guān)系與含表觀黏聚的本構(gòu)關(guān)系，總結(jié)了不同張力添加方式的特點(diǎn)并提出了張力最適作用規(guī)律。根據(jù)力的作用形式及月壤化學(xué)成分解釋了彈簧張力的合理性，提出了初態(tài)膠結(jié)假設(shè)并基于此最終建立了變

3、本構(gòu)月壤三維離散元模型。詳細(xì)闡述了基于邊界振動(dòng)控制的三軸仿真試驗(yàn)不同密實(shí)度樣本制備過(guò)程，通過(guò)三軸仿真試驗(yàn)得到了模型各細(xì)觀參數(shù)對(duì)宏觀抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律并進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，最終模型在淺層與深層密實(shí)度下三軸仿真曲線與真實(shí)月壤地面試驗(yàn)曲線重合度均較高，淺層疏松月壤內(nèi)聚力0.9kPa、內(nèi)摩擦角42.25°，深層密實(shí)月壤內(nèi)聚力2.6kPa、內(nèi)摩擦角50.88°，符合最佳估計(jì)值，保證了模型的精確性與不同密實(shí)度下的適用性。
　　針對(duì)離散元仿真計(jì)算量過(guò)

4、大的問(wèn)題，利用等效思想建立了淺層月壤鉆取模型與深層月壤鉆取模型，通過(guò)大邊界鉆取仿真分析了顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律與速度場(chǎng)，描繪了鉆頭附近顆粒運(yùn)動(dòng)U型鏈，通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比確定了等效仿真邊界。通過(guò)密實(shí)月壤上施加大密度等效顆粒組進(jìn)行不同深度環(huán)境仿真，對(duì)鉆頭與鉆桿分別進(jìn)行等效深度建模，并通過(guò)仿真預(yù)鉆進(jìn)與恒壓面控制保證模型真實(shí)性，最后通過(guò)力矩合成得到任意深度下鉆具力矩。搭建了地面模擬月壤鉆取試驗(yàn)平臺(tái)，將試驗(yàn)所得力矩曲線與深層鉆取仿真力矩預(yù)測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了

5、深層月壤鉆取模型的正確性，后將重力環(huán)境設(shè)置為月球重力，預(yù)示了月球重力下鉆頭、鉆桿力矩及合力矩分別下降為地球重力下的17％、41%、38%，空轉(zhuǎn)力矩影響明顯。
　　工程上十分關(guān)注月壤中存在大顆粒巖塊對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程的影響，本文定義直徑小于鉆頭虛擬切削圓的大顆粒為較大顆粒，反之為超大顆粒，分別針對(duì)表層月壤存在較大顆粒與超大顆粒巖塊以及深層月壤中存在超大顆粒情況進(jìn)行了鉆取仿真，將大顆粒位置處于中央或切削齒下方與無(wú)大顆粒情況進(jìn)行對(duì)比，分析了大顆

6、粒運(yùn)動(dòng)軌跡、采樣效率以及力載曲線，結(jié)果表明較大顆粒容易在小顆粒推動(dòng)下向樣品端部運(yùn)動(dòng)，對(duì)鉆取過(guò)程幾乎無(wú)影響，超大顆粒由于無(wú)法進(jìn)入鉆頭容易堵塞在鉆頭底部，但對(duì)進(jìn)樣影響表層與深層完全相反。表層月壤中的超大顆粒明顯阻礙進(jìn)樣，深層月壤中的超大顆粒則不影響進(jìn)樣且阻礙樣品下滑，有助于提高取樣效率。無(wú)論表層深層當(dāng)超大顆粒位于鉆頭正下方時(shí)，力載特征呈現(xiàn)為力矩曲線無(wú)變化，軸向力有所提高，而超大顆粒位于切削齒下方時(shí)，軸向力與力矩均增大且呈現(xiàn)大量離散性脈沖峰值

7、。力載曲線特征可用于識(shí)別大顆粒存在情況，表層中存在超大顆粒對(duì)鉆取過(guò)程負(fù)面影響最大，但由于力載數(shù)值較小，特征不明顯，最難識(shí)別。
　　工程上關(guān)注不同取芯方式對(duì)樣品層理信息的保護(hù)性以及鉆頭結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)樣量的影響，本文提出曲面斜率法與失效界限進(jìn)行層理信息描述與評(píng)價(jià)，對(duì)硬質(zhì)管取芯與軟袋取芯方式進(jìn)行鉆取仿真，結(jié)果表明軟袋取芯整體優(yōu)于硬質(zhì)管取芯，尤其對(duì)外側(cè)顆粒的層理保持特性較好且隨鉆深增加體現(xiàn)更為明顯。軟袋取芯方式的仿真結(jié)果表明樣品全部來(lái)自于鉆頭下