火星水冰/干冰取芯钻具设计与切削仿真分析

发布时间：2022-02-24 18:14

　　随着人类可持续发展的迫切需求,深空探测及行星资源利用具有重大意义。由于在火星发现了大量的水冰/干冰,意味着具有生存资源与能源,具备建设火星基地及火星资源开发与利用的前提,火星基地还可作为开发主带小行星的前沿基地。水冰/干冰则是建立生存基地的基础条件,所以首先开展对火星上的冰进行采样分析,而接触式探测是最直接、有效的一种方式。相比于地面勘探采样,火星上钻探资源有限,探测初期只能采用无人自主的操作模式,这对火星取芯钻具的能力设计提出了更高的要求,既要满足火星钻探轻量化、低功率的限制,又要保证能可靠地获取完整的冰样。本文以水冰/干冰为钻进对象,以可靠获取冰样为目标,同时以钻进功率消耗最小为约束,研制出一种高效钻冰的取芯钻具。由于钻进对象—冰极为特殊,需要对冰的物理、力学性质展开深入的研究,掌握冰的有关力学参数:泊松比、杨氏模量等;研究在切削下,冰的破坏机理:脆性破坏、塑性破坏,失效准则。由于目前尚未发现对火星取冰的任何报导,因此,充分借鉴了地面上极地冰层钻探技术,对目前广泛应用于冰层钻探的电动机械钻具进行了调研、分析,以地面电动机械钻具为基础,根据火星水冰和取芯特性需求,切削刃采用定量剥离的... 

【文章来源】：北华航天工业学院河北省

【文章页数】：76 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景与意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 火星环境
        1.2.2 火星钻探概述
        1.2.3 地面上国内外冰层取芯钻探发展
        1.2.4 典型冰层取芯钻具概述
        1.2.5 火星钻探难点
    1.3 课题主要研究内容及技术路线
第2章 火星冰的物理力学性质和破坏机理研究
    2.1 引言
    2.2 火星冰的材料特性
        2.2.1 火星水冰的物理性质
        2.2.2 火星干冰的物理性质
        2.2.3 冰的力学参数分析
    2.3 冰的破碎机理研究
        2.3.1 冰的韧性破坏行为
        2.3.2 冰的韧脆转变行为
        2.3.3 冰的脆性破坏行为
    2.4 本章小结
第3章 水冰/干冰取芯钻具一体化设计
    3.1 引言
    3.2 钻头设计概述
        3.2.1 切削具形状设计
        3.2.2 切削具在钻头体上的布置方式和数量设计
        3.2.3 切削具角度参数设计
        3.2.4 切削具材料选择
        3.2.5 钻头构型设计
    3.3 钻杆设计概述
        3.3.1 钻杆螺距与螺旋角的计算
        3.3.2 临界转速计算
        3.3.3 钻杆构型及参数设计
    3.4 取芯机构设计
        3.4.1 方案一：卡刀提取法
        3.4.2 方案二：簧片密闭法
        3.4.3 取芯机构方案比较与优选
    3.5 取芯钻具构型及总体参数设计
    3.6 本章小结
第4章 钻头切削具与冰作用特性分析及参数计算
    4.1 引言
    4.2 切削具与冰相互作用特性分析
    4.3 切削力影响因素分析
        4.3.1 切削具前角对切削力的影响
        4.3.2 切削具宽度对切削力的影响
        4.3.3 切削具前角和宽度对切削力的影响
    4.4 本章小结
第5章 钻头与冰的相互作用力载仿真分析和单刃切削实验
    5.1 引言
    5.2 有限元仿真软件ABAQUS理论基础
    5.3 钻头几何模型的建立
        5.3.1 模型的建立
        5.3.2 材料特性
        5.3.3 接触关系及边界条件的设定
        5.3.4 网格划分
    5.4 仿真模拟结果与分析
        5.4.1 仿真结果分析
        5.4.2 切削具前角对切削力的影响
        5.4.3 切削具后角对切削力的影响
        5.4.4 切削具宽度对切削力的影响
        5.4.5 刀头圆角半径对切削力的影响
        5.4.6 转速对切削力的影响
    5.5 冰的单刃切削辅助实验
        5.5.1 实验目标
        5.5.2 实验准备
        5.5.3 实验步骤
        5.5.4 实验数据处理与分析
    5.6 取芯钻头切削具参数优化
    5.7 本章小结
结论
参考文献
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]火星风沙地貌研究进展[J]. 李继彦,董治宝.  中国沙漠. 2016(04)
[2]一款可获取大直径冰芯的钻机——蓝冰钻[J]. 王士猛,何广军,谢爱红,任贾文,秦大河.  冰川冻土. 2016(02)
[3]Research on drilling parameters of engine-powered auger ice drill[J]. Mikhail Sysoev,Pavel Talalay.  Global Geology. 2016(01)
[4]冰力学参数的超声波测试研究[J]. 郭耀,李刚,贾成艳,常天英,崔洪亮,马科夫·阿列克谢.  极地研究. 2016(01)
[5]探索火星环境和生命[J]. 林杨挺.  自然杂志. 2016(01)
[6]基于ABAQUS的小孔钻削加工仿真（英文）[J]. 王依诺,陈从建.  Journal of Measurement Science and Instrumentation. 2015(03)
[7]冰的力学性能试验研究[J]. 郭颍奎,孟闻远.  华北水利水电大学学报(自然科学版). 2015(03)
[8]Optimization of ice cuttings transportation by cable-suspended core auger drills[J]. HONG Jialin,Pavel Talalay,Mikhail Sysoev.  Global Geology. 2014(01)
[9]4000m DISC深冰芯钻机概述[J]. 王士猛,谢爱红,效存德,任贾文,秦大河.  冰川冻土. 2013(03)
[10]我国轻型高山冰芯机械钻机的发展和应用[J]. 高新生,朱国才,任贾文,张永亮.  冰川冻土. 2012(06)

博士论文
[1]浅层电动机械钻具设计及其冰屑螺旋输送理论研究[D]. 洪嘉琳.吉林大学 2017
[2]极区航道海冰时空分布及其物理力学性质研究[D]. 韩红卫.大连理工大学 2016
[3]极地冰岩夹层钻进碎岩机理分析及试验研究[D]. 杨成.吉林大学 2016
[4]空气孔底局部反循环电动机械冰层取心钻具研究[D]. 胡正毅.吉林大学 2015
[5]极地冰下基岩取心钻具反扭装置与钻头钻压平衡关系研究[D]. 范晓鹏.吉林大学 2014
[6]冰的力学性能及其与结构相互作用力问题的研究[D]. 孙秋华.哈尔滨工程大学 2005

硕士论文
[1]细长轴外圆切削的刀具几何角度优化[D]. 庞楠.长春大学 2017
[2]冰层钻探孔壁水力压裂数值模拟与实验研究[D]. 洪建俊.吉林大学 2016
[3]极区油船与冰碰撞的非线性有限元仿真研究[D]. 宋艳平.大连海事大学 2015
[4]冰层回转钻进切削热分析与实验研究[D]. 刘春朋.吉林大学 2014
[5]极地冰钻升降钻具时孔内水力学特性试验研究[D]. 韩俊杰.吉林大学 2014
[6]结冰力学特性的理论与实验研究[D]. 巫瑞锐.南京航空航天大学 2014
[7]深层月壤取心钻头构型设计及其力载特性研究[D]. 肖洪.哈尔滨工业大学 2013



本文编号：3643263