基於離散元理論的月壤與鑽取採樣機具間作用機理研究

項目摘要

本項目以我國探月工程（三期）為背景，為解決月面鑽取採樣技術缺乏機理性基礎理論支撐的問題，對月壤與鑽取採樣機具間作用機理開展研究。以月壤顆粒為研究對象，基於離散元理論建立月壤細觀本構模型，包括基於團聚法的非球形月壤顆粒形狀模型、基於軟球模型和力鏈理論的非球形月壤顆粒間接觸力學模型、基於無粘連顆粒流理論的非球形月壤顆粒流動性模型，重點解決月壤顆粒間接觸模型的細觀參數與月壤力學模型的巨觀參數匹配等關鍵性機理問題。以此為基礎，建立月壤顆粒與鑽取採樣機具間接觸力學模型研究。通過月面鑽取採樣過程離散元仿真和模擬月壤地面鑽取採樣試驗，對理論模型和研究方法進行驗證和完善。最後，根據完善的作用機理模型，提出根據鑽取採樣機具力學和運動學參數反演深層月壤力學參數分布規律的方法，從而揭示月壤特性及產生機理，總結月壤與鑽取採樣機具間作用規律，為設計月面鑽取採樣機具、制定作業規程提供理論依據。

結題摘要

本項目以我國探月工程（三期）為背景，以月壤與鑽取採樣機具間作用機理為研究對象，系統研究了月壤本構特性、月壤流動特性、月壤與採樣機具間力學特性、月壤力學參數反演方法等問題。按照項目預期目標圓滿完成了全部工作內容。取得主要成果如下：（1）基於團聚法建立了非球形月壤顆粒形狀參數模型，該模型包括了非球形月壤顆粒的形狀參數和質心參數；對已有模擬月壤的顆粒形態分布和粒徑分布進行了測試，並利用EDEM建立了非球形月壤顆粒的仿真模型；在上述研究的基礎上，提出了非球形月壤顆粒的等效替代法，提高了計算效率。（2）基於軟球模型建立了非球形月壤顆粒間接觸力學模型，以土力學三軸壓縮實驗為基礎，提出了離散元與土力學的參數匹配方法；分別基於PFC3D和EDEM兩個離散元仿真平台，開發了參數匹配模組；針對已有模擬月壤進行了參數匹配研究，驗證了參數匹配方法的有效性，匹配結果可直接套用於鑽具與月壤相互作用特性的仿真研究。（3）基於無粘連顆粒流理論建立了月壤顆粒流動性模型；基於該模型，分別建立了月壤在螺旋鑽桿、鑽頭、取心機構作用下的流動特性模型，分析了鑽具結構參數對月壤流動性的影響規律；進行了模擬月壤鑽取採樣的離散元仿真和地面模擬實驗，仿真結果和試驗結果均驗證了模型的合理性。該模型對最佳化採樣鑽具設計、保證月壤樣品的層理信息性提供了依據。（4）建立了月壤與採樣機具間的接觸力學模型，分析了月壤鑽取採樣過程中的鑽具負載特性；分別研製了全尺寸鑽取採樣參數測試平台和縮比鑽取採樣參數測試平台,進行了模擬月壤與鑽具間的作用特性試驗，驗證了接觸力學模型的正確性，為預估月面鑽取採樣過程的負載特性、設計動力驅動裝置提供了依據。（5）建立了月壤可鑽性模型，建立了月面鑽取採樣典型工況特徵模型；基於支持向量機法，建立了鑽進工況線上辨識模型，並套用於月面自主鑽進控制方法中；以上述模型為基礎，建立了可辨識鑽具所遇月壤力學特性的線上辨識模型,提出了深層月壤力學參數分布反演方法；進行了模擬月壤鑽進試驗，驗證了線上辨識模型的正確性，驗證了力學參數分布反演方法的有效性。本項目共發表論文18篇，其中SCI源論文3篇、EI源論文14篇，申請國家發明專利2項，已授權1項。培養青年骨幹教師1名、博士生5名、碩士生6名。參加國際學術會議11人次,邀請國外專家學者來華交流2人次。本項目的研究成果在我國月球探測三期工程中的分析月面採樣

基於離散元理論的月壤與鑽取採樣機具間作用機理研究

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