深層月壤取心鉆頭構(gòu)型設(shè)計及其力載特性研究.pdf

1、我國月面鉆取采樣任務的主要目標是獲取月表以下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)境的復雜性和著陸器攜帶能量的有限性給采樣任務的完成帶來了很大的困難。針對月面采樣過程中鉆進力載不能過大,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等手段,獲得了取心鉆頭構(gòu)型參數(shù)對鉆進力載的影響規(guī)律。
　　通過對月壤的物理性質(zhì)和

2、力學性質(zhì)進行的研究,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,為取心鉆頭與月壤相互作用力學模型的建立提供了基礎(chǔ);對國內(nèi)外模擬月壤的組成成分和制備方式進行了研究,制備了三類地面試驗用模擬月壤,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),并為地面模擬試驗的規(guī)劃提供了指導。
　　結(jié)合地質(zhì)鉆探中取心鉆頭的設(shè)計經(jīng)驗,提出了一種具有階梯形式的取心鉆頭構(gòu)型?；谌⌒你@頭切削具作用土壤的失效機理和

3、邊界簡化方式,建立了極限平衡狀態(tài)下切削具切削月壤的力學模型,得出了取心鉆頭鉆進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)對鉆進力載的影響,并對取心鉆頭鉆進月壤的初始鉆進力載進行了預估。
　　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模型,對鉆進過程進行了仿真,得出了取心鉆頭鉆進所需的鉆壓力和回轉(zhuǎn)扭矩隨鉆進深度的變化

4、情況;對切削具切削二維和三維月壤進行了模擬,驗證了月壤的失效形式和邊界簡化假設(shè)的正確性;對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)對切削力的影響進行了仿真分析,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切削力的影響規(guī)律。
　　進行了針對均質(zhì)模擬月壤和巖石的地面模擬鉆進試驗,采用單一構(gòu)型參數(shù)變化而其他構(gòu)型參數(shù)相同的對比鉆頭進行鉆進試驗對比分析,得