基于离散元法的月壤钻取动力学研究

《基于离散元法的月壤钻取动力学研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、博士学位论文基于离散元法的月壤钻取动力学研究RESEARCHONLUNARSOILDRILLINGDYNAMICSBASEDONTHEDISCRETEELEMENTMETHOD刘天喜哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：V447.1学校代码：10213国际图书分类号：520密级：公开工学博士学位论文基于离散元法的月壤钻取动力学研究博士研究生：刘天喜导师：赵阳教授申请学位：工学博士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedInde

2、x:V447.1U.D.C.:520DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONLUNARSOILDRILLINGDYNAMICSBASEDONTHEDISCRETEELEMENTMETHODCandidate：LiuTianxiSupervisor：Prof.ZhaoYangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：AstronauticsScienceandTechno

3、logyAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着我国探月三期工程的顺利开展，月壤钻进取样成为当前航天领域的重点任务。月壤钻取属于极端条件下的钻探问题，是钻探领域技术难度最高的问题之一，由于月球低重力、无水无空气等极端环境以及月壤高内摩擦角低内聚力的特殊力学属性，在地面进行真实环境模拟难度很大，加之空间任务要求钻具

4、系统必须质量轻、功耗低、强度大，因此须深入开展钻进过程机土作用的动力学研究，为钻具结构设计、规程设计、材料设计等提供理论依据。由于地面试验无法观测土壤内部情况且耗资巨大，而理论分析受过多假设条件局限，因此本文选用离散元方法建立月壤本构模型与钻取仿真模型，并对工程上所关注的低重力载荷、大颗粒影响、层理保持特性以及钻头结构影响等问题进行动力学仿真分析。针对月壤的特殊力学性质，本文基于离散元方法构建了离散颗粒间线刚度非张力本构关系与含表观黏聚的本构关系，总结了不同张力添加方式的特点并提出了张力最适作用规律。根据

5、力的作用形式及月壤化学成分解释了弹簧张力的合理性，提出了初态胶结假设并基于此最终建立了变本构月壤三维离散元模型。详细阐述了基于边界振动控制的三轴仿真试验不同密实度样本制备过程，通过三轴仿真试验得到了模型各细观参数对宏观抗剪强度的影响规律并进行参数标定，最终模型在浅层与深层密实度下三轴仿真曲线与真实月壤地面试验曲线重合度均较高，浅层疏松月壤内聚力0.9kPa、内摩擦角42.25°，深层密实月壤内聚力2.6kPa、内摩擦角50.88°，符合最佳估计值，保证了模型的精确性与不同密实度下的适用性。针对离散元仿真计

6、算量过大的问题，利用等效思想建立了浅层月壤钻取模型与深层月壤钻取模型，通过大边界钻取仿真分析了颗粒运动规律与速度场，描绘了钻头附近颗粒运动U型链，通过应力场对比确定了等效仿真边界。通过密实月壤上施加大密度等效颗粒组进行不同深度环境仿真，对钻头与钻杆分别进行等效深度建模，并通过仿真预钻进与恒压面控制保证模型真实性，最后通过力矩合成得到任意深度下钻具力矩。搭建了地面模拟月壤钻取试验平台，将试验所得力矩曲线与深层钻取仿真力矩预测曲线进行对比，验证了深层月壤钻取模型的正确性，后将重力环境设置为月球重力，预示了月球

7、重力下钻头、钻杆力矩及合力矩分别下降为地球重力下的17%、41%、38%，空转力矩影响明显。工程上十分关注月壤中存在大颗粒岩块对钻进过程的影响，本文定义直-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文径小于钻头虚拟切削圆的大颗粒为较大颗粒，反之为超大颗粒，分别针对表层月壤存在较大颗粒与超大颗粒岩块以及深层月壤中存在超大颗粒情况进行了钻取仿真，将大颗粒位置处于中央或切削齿下方与无大颗粒情况进行对比，分析了大颗粒运动轨迹、采样效率以及力载曲线，结果表明较大颗粒容易在小颗粒推动下向样品端部运动，对钻取过程几乎无影响，超大

8、颗粒由于无法进入钻头容易堵塞在钻头底部，但对进样影响表层与深层完全相反。表层月壤中的超大颗粒明显阻碍进样，深层月壤中的超大颗粒则不影响进样且阻碍样品下滑，有助于提高取样效率。无论表层深层当超大颗粒位于钻头正下方时，力载特征呈现为力矩曲线无变化，轴向力有所提高，而超大颗粒位于切削齿下方时，轴向力与力矩均增大且呈现大量离散性脉冲峰值。力载曲线特征可用于识别大颗粒存在情况，表层中存在超大颗粒对钻取过程负面影响最大，但由于力载数值较小