模拟月壤的填充模型及特性研究

论文摘要

月壤深层取样的目标之一是取回尽量保持原有层理信息的月壤样品。针对此目标,本文在比较传统土力学与离散元方法的基础上,利用离散元方法对内翻式软袋深层取样过程中模拟月壤的填充模型及特性进行仿真研究,并结合相关理论分析了主要结构参数和钻进规程参数对模拟月壤层理信息的具体影响方式,对月壤深层取样顺利实施、钻取机构的设计和研制以及深层取样规程的制定具有重要的意义。针对月壤的物理和力学特性,基于离散元方法软球模型,从细观角度建立了球形和非球形模拟月壤颗粒的接触力学模型和流动模型。基于二维离散元软件PFC2D,仿真分析了颗粒直径对模型精确度的影响,即粒径效应,并根据粒径效应提出了变颗粒直径建模方法。以此为基础,利用平移面模型在三维离散元软件EDEM中建立了内翻式软袋方式下模拟月壤深层取样过程的仿真模型。根据对月壤层理信息的要求,提出了层理信息的定量评价方法和评价指标。对取样管直压与内翻式软袋两种取样方式下的样品层理信息进行了对比分析。结果表明,内翻式软袋所取样品具有较好的层理信息。基于内翻式软袋方式下模拟月壤深层取样模型,仿真分析了取样管直径、软袋摩擦系数、进给速率、激振频率对模拟月壤深层取样过程中层理信息的具体影响方式。结果表明,只考虑模拟月壤的层理信息时,取样管直径和颗粒-软袋摩擦系数越大越好,进给速度越小越好,激振频率应该尽量远离模拟月壤固有频率。为钻取机构的设计和研制以及深层取样规程的制定提供了一定的参考依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.1.1 月球探索的意义
• 1.1.2 取样管填充模型及特性研究的意义
• 1.2 国内外星壤钻取采样技术发展及现状
• 1.2.1 前苏联Luna系列
• 1.2.2 美国Apollo系列及近年来的星壤钻取技术
• 1.2.3 欧空局近年来的星壤钻取技术
• 1.2.4 我国探月现状
• 1.3 颗粒流及其研究方法概述
• 1.3.1 颗粒流研究现状
• 1.3.2 离散元方法研究及应用现状
• 1.3.3 传统土力学与离散元方法的比较
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 模拟月壤颗粒接触力学模型和流动模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 月壤的物理和力学特性
• 2.3 基于离散元方法的模拟月壤颗粒接触力学模型研究
• 2.3.1 两模拟月壤颗粒接触的简化等效模型
• 2.3.2 两模拟月壤颗粒接触力的计算
• 2.3.3 多模拟月壤颗粒接触力的计算
• 2.4 基于离散元方法的模拟月壤颗粒流动模型研究
• 2.5 非球形模拟月壤颗粒模型研究
• 2.6 本章小结
• 第3章 模拟月壤深层取样建模及样品层理信息分析
• 3.1 引言
• 3.2 月壤深层取样方式的确定
• 3.3 模拟月壤深层取样的建模
• 3.3.1 粒径效应
• 3.3.2 模拟月壤的建模
• 3.3.3 钻杆的建模
• 3.3.4 内翻式软袋的建模
• 3.3.5 模拟月壤深层取样模型
• 3.4 层理信息的评价
• 3.5 取样管直压与内翻式软袋的层理信息对比分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 内翻式软袋取样方式中模拟月壤填充特性仿真与分析
• 4.1 引言
• 4.2 仿真参数设置
• 4.3 取样管直径对层理信息影响的仿真与分析
• 4.4 软袋摩擦系数对层理信息影响的仿真与分析
• 4.5 进给速度对层理信息影响的仿真与分析
• 4.6 激振频率对层理信息影响的仿真与分析
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢