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基于触探方式的月壤临界尺度颗粒堆积工况的参数辨识

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基于触探方式的月壤临界尺度颗粒堆积工况的参数辨识

作者：苑攀攀哈尔滨商业大学

学位级别：硕士

我国嫦娥五号月球探测器采用钻进方法对月球次表层土壤进行采样,而广泛分布于次表层中的临界尺度颗粒极易在钻进过程中积聚在钻头下方形成的聚积区,对钻进产生不利影响,如钻头磨损加剧、取心率降低、卡钻、跳钻等故障工况,导致月球采样... 详细信息

我国嫦娥五号月球探测器采用钻进方法对月球次表层土壤进行采样,而广泛分布于次表层中的临界尺度颗粒极易在钻进过程中积聚在钻头下方形成的聚积区,对钻进产生不利影响,如钻头磨损加剧、取心率降低、卡钻、跳钻等故障工况,导致月球采样任务的失败。该种工况产生时其力载参数表现与钻进岩石堵钻工况类似,仅用回转力载参数无法准确辨识,只能停机通过冲击钻进模式识别,并采用具有针对性的钻进工况予以解决,以避免对采样钻进任务造成不利影响。基于虚土桩理论建立在冲击作用(触探方式)下钻杆与月壤相互作用模型,采用分离变量法,在频域内得到任意载荷下作用下钻杆顶端位移频域响应及钻杆顶端速度频域响应的严格解析解。分析三种典型工况下被测对象参数对钻杆顶端频域响应的影响及钻杆参数变化时被测对象参数钻杆顶端速度频域响应的影响。对三种典型工况进行模拟冲击试验并采集数据,基于快速傅里叶变换处理数据得到频谱及功率谱。采用频谱分析对理论与单次冲击试验结果进行对比,三种工况下钻杆顶端速度频域响应理论曲线与实验结果轮廓曲线趋势一致,验证理论的可行性和准确性。通过多次冲击试验分析试验结果功率谱上峰值点的物理规律,选取能有效表征工况的频率值特征指标;发现模拟临界尺度颗粒堆积工况时功率谱密度幅值峰值点表现出一定的规律性,与均质模拟月壤及模拟月岩工况显出不同,其峰值点随着冲击频率不同而不同,且随着冲击频率增大功率谱密度幅值峰值点个数逐渐减小直至出现独峰。开展临界尺度颗粒堆积层变参数时的多次冲击试验,分析堆积层厚度及密度对钻杆顶端速度频域响应特性的影响,并提取有效表征堆积工况的频率特征,作为辨识特征识别临界尺度颗粒堆积工况。本文利用触探方式提出基于钻具反馈参量的辨识方法,提取钻具遇到不同被钻对象时的信号特征,有效辨识被钻对象的类型,识别因临界尺度聚积导致的极限工况。对临界尺度颗粒堆积工况的参数进行辨识研究,补充了识别因临界尺度颗粒置换不良而引起的钻进状态故障的方法空白,为我国月球钻取采样的可靠性及钻进取心效能提供理论依据。

关键词：参数辨识堆积工况临界尺度颗粒触探钻具振动

月壤临界尺度颗粒运移特性对钻具力载影响研究

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月壤临界尺度颗粒运移特性对钻具力载影响研究

作者：崔建国哈尔滨商业大学

学位级别：硕士

临界尺度颗粒是指平均直径大于或等于钻头取芯孔直径的月球土壤颗粒,其广泛分布于月球次表层土壤中。在钻进过程中受到钻削作用,一部分临界尺度颗粒被从孔底置出,并被嵌入钻孔壁产生孔壁置入现象,从而增大了切削负载功耗;另一部分跟随钻具回转无法被取芯孔采集,从而增加了钻进失败的风险。为了降低月面钻取任务失败风险,提高钻取率,针对临界尺度颗粒的孔底置出及孔壁置入运移特性对钻采过程的影响进行分析,开展了以下研究内容。建立基于傅里叶理论及分形理论的不规则颗粒轮廓描述模型,对不同粒径的临界尺度颗粒的轮廓进行描述,得到了颗粒的展开轮廓线及拟合程度较高的拟合曲线,继而得到颗粒的分形维数,从而达到描述颗粒轮廓的效果。分析了临界尺度颗粒的不同运移形式,及其影响因素,提出法向重叠率的概念,用以研究位置变化对临界尺度颗粒运移特性及切削力的影响关系。将钻具的慢速回转过程等效为直线切削过程,分析临界尺度颗粒与其相互作用对切削过程的影响。基于朗肯土力学理论及岩石剪切破碎理论,建立临界尺度颗粒的切削力学模型,分析不同作用位置对切削力及运移状态的影响,通过离散元方法进行仿真模拟,得到了不同的作用位置对临界尺度颗粒的孔底置出及孔壁置入的影响,并建立了切削力时域曲线特征与颗粒不同运移状态之间的关系。通过分析临界尺度颗粒的运移机理,根据其与钻头的随动特性,将切削刃结构参数与颗粒的形貌参数进行等效,重新定义切削刃的等效结构参数,基于土壤的切削失效机理及土壤流动分区原则,建立临界尺度颗粒与取芯钻具的相互作用模型,得到不同工况的钻具功耗,利用离散元方法模拟得到的钻具功耗,并与理论值对比,结果显示二者的偏差较小。制备参数匹配月壤的模拟临界尺度月壤,进行临界尺度颗粒的运移特性试验验证。对模拟临界尺度月壤进行多次切削,得到临界尺度颗粒的运移轨迹,模拟临界尺度颗粒的孔底置出及孔壁置入过程,并在临界尺度颗粒产生孔底置出及孔壁置入时,与切削力时域曲线特征匹配,结果显示,切削位置为影响临界尺度颗粒运移的主要因素,并且影响切削力,验证了本文提出的模型及仿真的正确性。

关键词：月壤临界尺度颗粒运移特性力载

含临界尺度颗粒月壤在约束空间内的流动特性研究

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含临界尺度颗粒月壤在约束空间内的流动特性研究

作者：童立杰浙江理工大学

学位级别：硕士

我国探月工程三期的主要目标是实现月球次表层月壤无人钻进取样并返回地球,嫦娥五号探测器顺利完成并获得了1731g月壤样品。然而取样过程中受到了次表层的临界尺度颗粒月壤带来的影响,为提高钻取可靠性,减少卡钻、堵钻等故障工况的出现... 详细信息

我国探月工程三期的主要目标是实现月球次表层月壤无人钻进取样并返回地球,嫦娥五号探测器顺利完成并获得了1731g月壤样品。然而取样过程中受到了次表层的临界尺度颗粒月壤带来的影响,为提高钻取可靠性,减少卡钻、堵钻等故障工况的出现,本文首先对月壤在钻头螺旋区域内的流动过程进行了离散元（Discrete Element Method）模拟,其次研究月壤在钻头螺旋区约束空间内流动特性,同时探究含临界尺度颗粒月壤的钻取特性,最后归纳出含临界颗粒月壤的钻取工况的辨识与预测模型。为探索临界尺度颗粒的排屑机理提供理论依据,同时也为改进钻具、对象辨识和钻取工况预测提供支撑,具体展开工作如下:依据月壤物理机械性质的最佳估计值,匹配并定义离散元模拟月壤的仿真参数。在匹配过程中,利用Box-Behnken中心组合试验设计方法规划17组月壤堆积角仿真试验,对试验结果进行方差分析得到月壤堆积角的回归模型,再以CUG-1A模拟月壤为对象基于该模型对月壤细观参数进行离散元仿真标定。建立月壤在弯曲约束空间内的流动离散元仿真模型,对其流动特性进行归纳。分析月壤颗粒在流动过程中瞬态力链、颗粒速度、颗粒间作用力和配位数随时间及空间变化规律。对含临界尺度颗粒月壤的钻取过程进行离散元仿真试验。分析临界尺度颗粒与钻头的相互作用关系,设计12种含临界尺度颗粒月壤的钻进工况。通过EDEM仿真分析临界尺度颗粒在钻进过程中的速度历程、运动轨迹、位移曲线以及钻具的负载特性。基于多功能全参数钻取试验平台试验采用放大试验法进行含临界尺度颗粒月壤的钻取验证试验。对试验数据进行采集与验证分析,发现试验所得含临界尺度颗粒月壤的钻进负载特性规律与仿真试验相符,最后通过提取钻进负载曲线的时域与频域特征值结合BP神经网络方法得到临界尺度颗粒钻取工况的识别与预测模型。

关键词：钻进取样临界尺度颗粒离散元模拟月壤

月球采样临界尺度颗粒置出过程模拟及其运动特性研究

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月球采样临界尺度颗粒置出过程模拟及其运动特性研究

作者：陈萌萌哈尔滨商业大学

学位级别：硕士

我国嫦娥五号探测器将通过无人钻取采样装置获取月壤样品并返回地球,采样过程中,存在于浅表层的月壤临界尺度颗粒及其聚积区域给月壤采样任务带来不利影响。根据取芯钻具横截面直径d,将粒径在0.1d.5d间的月壤颗粒划分为临界尺度颗粒,为... 详细信息

我国嫦娥五号探测器将通过无人钻取采样装置获取月壤样品并返回地球,采样过程中,存在于浅表层的月壤临界尺度颗粒及其聚积区域给月壤采样任务带来不利影响。根据取芯钻具横截面直径d,将粒径在0.1d.5d间的月壤颗粒划分为临界尺度颗粒,为提高采样任务可靠性,减少卡钻、堵钻等故障工况的出现,本文将在地球环境下对月壤临界尺度颗粒孔底置出过程进行模拟试验,研究钻头切削刃的切削速度、切削位置变化对临界尺度颗粒运动状态的影响,为分析钻取采样过程中故障工况的产生提供理论依据,为此本文开展了以下研究工作。结合月壤力学特性引入其形状因素,建立临界尺度颗粒法向接触力学模型。基于傅里叶理论建立临界尺度颗粒形状描述模型,运用图像分析算法对颗粒图像进行处理,建立临界尺度颗粒的接触概率模型。按照接触概率结果生成和调用颗粒,通过临界尺度颗粒的法向力学加载特性试验,验证基于形状描述的临界尺度颗粒法向接触力学模型的正确性。将建立的临界尺度颗粒等效模型引入仿真模拟软件中对临界尺度颗粒切削置出过程进行仿真模拟。基于岩石切削及岩土力学相关理论,结合月壤破坏和失效形式建立单切削刃与月壤临界尺度颗粒相互作用力学模型,分析相关参数对临界尺度颗粒切削置出过程中运移规律的影响,根据颗粒接触概率建立月壤临界尺度颗粒切削置出离散元模型;通过仿真模拟,得到不同切削速度和切削深度时,月壤临界尺度颗粒运动状态及运动特性变化趋势,结果表明:切削速度的增大或减小对临界尺度颗粒速度变化影响较小,而切削位置的变化对切削置出过程中临界尺度颗粒速度及位移的变化趋势影响较为明显。模拟月壤临界尺度颗粒孔底置出试验验证,筛选指定粒径范围的月壤临界尺度颗粒贴上标记点作为切削样本,将其放入装有均质月壤的土槽内,通过液压机压实以达到试验所需密度,架设好相关试验设备,在单刃切削试验台上进行多组切削置出试验,试验结果表明:切削位置是影响模拟月壤临界尺度颗粒运动特性的主要因素,并且发现在切削置出过程中临界尺度颗粒会发生滚动,将试验结果与之前相应仿真结果进行对比分析,以验证理论模型的可靠性和准确性。通过压缩方式将切削试验样本的密度提高到真实月壤密度参数变化范围内,利用单齿切削试验台并结合正交试验方案开展月壤标记点切削试验。对高速相机采集的数据进行处理后得到临界尺度颗粒在孔底置出过程中的运动变化特性,解释了颗粒平移和翻滚动作的原因,试验结果与仿真模拟进行对比分析,以验证理论分析的正确性。

关键词：月壤临界尺度颗粒孔底置出不规则形状试验

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含临界尺度颗粒月壤的钻进负载特性分析

浙江理工大学学报（自然科学版） 2023年第2期49卷 254-262页

作者：赵德明王贺高兴文胡明浙江理工大学机械工程学院杭州1310018

为了解决月壤钻探取样过程中所存在的由临界尺度月壤颗粒导致负载异常的问题,从试验与离散元仿真两方面研究钻具在含临界尺度颗粒月壤中的负载特性,揭示临界尺度月壤颗粒与钻具的作用机理,以期为钻进规程制定和月壤机械性质反演等提供... 详细信息

为了解决月壤钻探取样过程中所存在的由临界尺度月壤颗粒导致负载异常的问题,从试验与离散元仿真两方面研究钻具在含临界尺度颗粒月壤中的负载特性,揭示临界尺度月壤颗粒与钻具的作用机理,以期为钻进规程制定和月壤机械性质反演等提供支撑。结果表明:临界尺度颗粒运移特性与钻进负载具有强关联性。临界尺度颗粒半径越大,偏置距离越小,钻头负载越大,对应的工况就越危险;临界尺度颗粒的形状对负载的大小及变化趋势影响不大,但会增加负载曲线的波动幅度,使钻具抖动。钻具卡钻和堵钻现象主要由临界尺度颗粒与钻具的伴随运动导致,偏载现象由临界尺度颗粒在钻具周围的螺旋运动导致;其中,颗粒在钻具周围伴随运动的幅度受颗粒长径比变化影响,长径比较大时会导致钻具负载波动剧烈。

关键词：月壤临界尺度颗粒钻进负载运移特性离散元方法

冲击驱动机构中凸轮廓线选择对运动的参数影响

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中国新技术新产品 2021年第20期 39-42页

作者：关祥毅田野刘义翔哈尔滨商业大学轻工学院黑龙江哈尔滨150076

为了提高月壤中临界尺度颗粒的钻进取心效率,月壤采样机构中增加了冲击破碎功能,用来配合钻头回转钻进,辅助破碎提取月壤颗粒。该文对月壤取心钻进系统中的冲击驱动机构进行了结构分析,着重研究了冲击凸轮廓线选择对冲击运动参数的影响... 详细信息

为了提高月壤中临界尺度颗粒的钻进取心效率,月壤采样机构中增加了冲击破碎功能,用来配合钻头回转钻进,辅助破碎提取月壤颗粒。该文对月壤取心钻进系统中的冲击驱动机构进行了结构分析,着重研究了冲击凸轮廓线选择对冲击运动参数的影响。对比了单一五次多项式、摆线运动规律、改进型五次多项式和摆线运动规律凸轮廓线对单次冲击功的影响,为冲击钻进驱动机构设计提供相关参考。

关键词：临界尺度颗粒冲击驱动机构凸轮廓线冲击功