深層月壤取心鉆頭構(gòu)型設(shè)計(jì)及其力載特性研究.pdf

1、我國(guó)月面鉆取采樣任務(wù)的主要目標(biāo)是獲取月表以下2m深且具有連續(xù)層理信息的月壤樣品并返回地球,月球表面環(huán)境的復(fù)雜性和著陸器攜帶能量的有限性給采樣任務(wù)的完成帶來(lái)了很大的困難。針對(duì)月面采樣過程中鉆進(jìn)力載不能過大,以防止著陸器發(fā)生傾覆的情況,本文在研究了國(guó)外地外星體采樣技術(shù)和地面鉆探技術(shù)的基礎(chǔ)上,研制了一種具有階梯形式的取心鉆頭。通過理論分析、仿真模擬和地面試驗(yàn)等手段,獲得了取心鉆頭構(gòu)型參數(shù)對(duì)鉆進(jìn)力載的影響規(guī)律。
　　通過對(duì)月壤的物理性質(zhì)和

2、力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行的研究,確定了主要性質(zhì)參數(shù)的變化區(qū)間以及隨深度的變化趨勢(shì),為取心鉆頭與月壤相互作用力學(xué)模型的建立提供了基礎(chǔ);對(duì)國(guó)內(nèi)外模擬月壤的組成成分和制備方式進(jìn)行了研究,制備了三類地面試驗(yàn)用模擬月壤,并建立了均質(zhì)模擬月壤的本構(gòu)模型,為模擬取心鉆頭鉆進(jìn)均質(zhì)模擬月壤的有限元仿真提供了基礎(chǔ),并為地面模擬試驗(yàn)的規(guī)劃提供了指導(dǎo)。
　　結(jié)合地質(zhì)鉆探中取心鉆頭的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),提出了一種具有階梯形式的取心鉆頭構(gòu)型。基于取心鉆頭切削具作用土壤的失效機(jī)理和

3、邊界簡(jiǎn)化方式,建立了極限平衡狀態(tài)下切削具切削月壤的力學(xué)模型,得出了取心鉆頭鉆進(jìn)月壤的鉆壓力與回轉(zhuǎn)扭矩的解析模型,根據(jù)該模型研究了切削具切削角、底出刃高度和刃寬等構(gòu)型參數(shù)對(duì)鉆進(jìn)力載的影響,并對(duì)取心鉆頭鉆進(jìn)月壤的初始鉆進(jìn)力載進(jìn)行了預(yù)估。
　　編寫了基于Duncan-Chang模型的UMAT子程序,在有限元軟件中建立了取心鉆頭與均質(zhì)模擬月壤的相互作用力學(xué)模型,對(duì)鉆進(jìn)過程進(jìn)行了仿真,得出了取心鉆頭鉆進(jìn)所需的鉆壓力和回轉(zhuǎn)扭矩隨鉆進(jìn)深度的變化

4、情況;對(duì)切削具切削二維和三維月壤進(jìn)行了模擬,驗(yàn)證了月壤的失效形式和邊界簡(jiǎn)化假設(shè)的正確性;對(duì)取心鉆頭的階梯形式和切削具鑲焊方式、切削具刃寬和底出刃高度等構(gòu)型參數(shù)對(duì)切削力的影響進(jìn)行了仿真分析,得出了取心鉆頭采用階梯形式能夠比較好的降低鉆進(jìn)力載,而且獲得了切削具鑲焊方式、切削具刃寬和底出刃高度對(duì)切削力的影響規(guī)律。
　　進(jìn)行了針對(duì)均質(zhì)模擬月壤和巖石的地面模擬鉆進(jìn)試驗(yàn),采用單一構(gòu)型參數(shù)變化而其他構(gòu)型參數(shù)相同的對(duì)比鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)對(duì)比分析,得