月面钻取采样冲击钻进作用研究

发布时间：2017-10-23 01:15

  本文关键词：月面钻取采样冲击钻进作用研究

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【摘要】：月面钻取采样面临着低重力、高真空、月壤力学性质未知等复杂因素的干扰。为了弥补可用钻压力的不足,月面钻取采样过程中需要引入冲击激励作用。受航天运载能力等因素的限制,采样机构需要具有轻便、低功耗、高效率、高可靠性的特点。而钻取采样冲击系统的可靠运作是整个钻取采样任务中较为关键的一环。本文面向月面钻取采样的工程需求,以月面钻取采样冲击钻进系统为主要研究对象,开展了冲击钻进作用的研究。首先通过动力学仿真与理论分析,给出了月面钻取采样弹簧—激振块激振驱动机构的工作特性。对激振驱动机构冲击作用过程中的冲击功、碰撞速度及碰撞力作了理论推导。通过ADAMS动力学仿真进一步验证了理论推导的正确性,结果表明激振驱动机构能够完好地实现冲击激励作用。其次运用一维波动力学方法对冲击作用下钻具的应力波传递特性进行了建模分析。通过理论推导给出了激振块—钻杆接头的入射应力波形,给出了变阻抗钻具的应力波能量透射率及应力波透射率公式。对脆性岩石下的凿入过程进行了分析,结果表明在凿岩过程中激振块会发生回弹;对冲击作用沿取芯管传递的问题进行了分析,结果表明取芯管波阻抗越小受到的冲击扰动越少。最后,基于显式有限元方法对月面钻取采样钻具受冲击的动力学过程进行了数值模拟。通过建立激振块—钻具冲击有限元模型,开展了钻具冲击能量传递性能的研究。结果表明基于一维应力波理论推导得出的钻具应力波能量透射率、应力波透射率的结果与有限元计算结果差异不大;重锤回弹会造成能量传递率的下降,引起冲击凿岩效率的降低。
【关键词】：冲击钻进 应力波 采样
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V476.3;P184.5
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义8
• 1.2 国内外相关领域研究概况8-16
• 1.2.1 地外钻探采样技术研究概况8-15
• 1.2.2 冲击钻进能量传递研究概况15-16
• 1.3 本文主要研究16-17
• 第2章 钻取采样装置冲击钻进机构动力学分析17-26
• 2.1 激振驱动机构动力学理论分析17-20
• 2.1.1 激振驱动原理17-18
• 2.1.2 激振块响应时间18-19
• 2.1.3 单次冲击功19-20
• 2.1.4 碰撞速度及碰撞力20
• 2.2 冲击钻进机构动力学仿真分析20-25
• 2.2.1 参数定义22
• 2.2.2 仿真结果22-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第3章 冲击钻进系统波动力学分析26-53
• 3.1 激振块—钻杆接头冲击入射应力波26-32
• 3.1.1 第一阶入射波26-27
• 3.1.2 第二阶入射波27-29
• 3.1.3 第三阶入射波29-30
• 3.1.4 总入射应力波30-32
• 3.2 变截面变阻抗杆对冲击能量传递的影响32-40
• 3.2.1 单次透射应力波能量透射率34-37
• 3.2.2 总能量透射率37-39
• 3.2.3 应力波幅值比的求解39-40
• 3.3 钻杆—保持芯管冲击传递分析40-44
• 3.4 钻具应力波传播特性分析44-46
• 3.5 冲击破岩的理论分析46-52
• 3.5.1 月岩46-47
• 3.5.2 有效凿深的推导47-49
• 3.5.3 凿入过程中的回弹分析49-52
• 3.6 本章小结52-53
• 第4章 钻取采样冲击钻进数值模拟53-73
• 4.1 有限元方法53-54
• 4.1.1 弹性动力学有限元基本解法53
• 4.1.2 ABAQUS显式动力学分析53-54
• 4.2 有限元方法描述应力波问题有效性验证54-61
• 4.2.1 有限元建模54-56
• 4.2.2 计算结果及分析56-61
• 4.3 重锤—钻具有限元建模与分析61-72
• 4.3.1 有限元建模61-63
• 4.3.2 仿真结果分析63-72
• 4.4 本章小结72-73
• 结论73-74
• 参考文献74-78
• 致谢78

【参考文献】

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1 鄢泰宁;冉恒谦;段新胜;;宇宙探索与钻探技术[J];探矿工程(岩土钻掘工程);2010年01期

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本文编号：1080939