《模擬月壤的本構模型及其試驗驗證》是依託清華大學，由陳輪擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：模擬月壤的本構模型及其試驗驗證
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：陳輪
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
探月工程具有重要的國家戰略意義。因真實月壤很珍貴，在地球上研製月球車、鑽探取樣和月球基地建設等，常需採用模擬月壤代替真實月壤進行研究。因此，在地球上製取與真實月壤主要物理力學性質相似的模擬月壤，並對其進行深入系統的試驗研究，發展較好地描述模擬月壤變形特性的本構模型，研究工作具有明確的工程套用背景和重要的理論意義。.本項目擬通過一系列土力學試驗，研製能夠較好地模擬真實月壤顆粒形狀、顆粒粒徑分布、粘聚力及內摩擦角等主要物理力學性質的模擬月壤；根據月球重力加速度較小以及月球車等探月裝置與月壤的相互作用問題大多集中在月表或月面淺層、月壤常處於很低的應力水平的特點，對模擬月壤進行多種低應力水平、應力狀態和應力路徑的系列試驗，分析模擬月壤的變形規律和變形機理；在此基礎上借鑑已有的土的彈塑性本構模型的建模思路,發展適於描述模擬月壤主要力學性質的模擬月壤本構模型，並通過多種試驗對模型的有效性進行驗證。
結題摘要
本項目以CLRS （Chinese Lunar Regolith Simulant）標準樣品為基本參照，研製出了能較好地模擬典型月壤物理力學性質的模擬月壤（以下稱為“清華模擬月壤”，簡記為“QHLRS）；根據月壤的力學特性，發展了適於描述模擬月壤主要力學特性的模擬月壤本構模型，並通過複雜應力路徑的三軸試驗進行驗證。 (1) 對吉林省靖宇縣火山灰的幾種模擬月壤試樣進行了一系列土力學以及其他試驗，根據試驗結果的對比分析，選出了最合適的模擬月壤原材料，按照一定的比例配製而成典型模擬月壤，並在顆粒形狀、顆粒級配上與月壤相似。在典型模擬月壤中再加入玄武岩試樣，可以得到更難鑽進的模擬月壤，作為鑽具碰到月岩碎塊的情況。 (2) 採用清華模擬月壤D樣（QHLRS-D），製作74%、83%、92%三種相對密度試樣，分別完成了常規圍壓範圍（50、100、150kPa）和低圍壓範圍（25、12.5、6.25、3.13kPa）的三軸CD試驗，獲得了這兩種圍壓範圍內QHLRS-D的應力~應變特性和體變特性以及強度與變形參數；全面對比了兩種圍壓下QHLRS-D力學特性的差異，並深入分析了相對密度和圍壓的影響，得到如下主要結論： 1、圍壓對強度指標的影響：圍壓越高，峰值內粘聚力越大，峰值內摩察角越小；殘餘內摩擦角則隨著圍壓的增大而增大。在本次圍壓範圍內，無論圍壓高低，殘餘粘聚力都接近於0。 2、相對密度對強度指標的影響：相對密度越高，峰值強度指標越大，並主要體現現在對峰值內摩擦角的影響上；相對密度對殘餘強度指標的影響很小。 3、切線模量E、剪下模量G都隨著圍壓和相對密度的增大而增大。 4、在低壓範圍（3.13~25 kPa）內，試樣的泊松比由於明顯的剪脹現象，均大於0.5；相對密度增大，泊松比和剪脹角增大；圍壓增大，泊松比和剪脹角降低，但降低速率會逐漸變緩，且表現出逐漸穩定的趨勢。 5、根據本次試驗數據，給出了能夠考慮圍壓和相對密度影響的QHLRS-D模擬月壤之切線模量、剪下模量、峰值內摩察角和剪脹角的預測模型。 (3) 基於改進Hvorslev面的超固結土統一硬化模型，對低圍壓下QHLRS-D模擬月壤的三軸壓縮進行了本構模擬。結果表明，該模型能較好地適用於QHLRS-D模擬月壤。 (4) 完成了鑽具與月壤相互作用力載的數值模擬分析。 (5) 提出了深層月壤填築技術。
