月球钻取式采样机构参数优化及可靠性分析

发布时间：2017-08-21 21:42

  本文关键词：月球钻取式采样机构参数优化及可靠性分析

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【摘要】：本文以我国探月三期工程钻取采样为背景,在充分分析了国内外月球钻取采样机构研究现状的基础上,开展了月球钻取式自动采样机构参数优化及可靠性分析。首先,针对月球钻取式自动采样机构空心外螺旋钻杆取样过程,分别建立了月壤内聚力和月壤内摩擦系数随月壤深度变化的数学模型,建立了钻进过程中钻杆运动参数与钻杆结构参数之间的关系。建模过程考虑了月壤物理和机械特性随钻进深度变化特性、钻杆钻进牵连速度及月壤微元相互间的抗剪性,解决了过去其他模型带来的计算误差大的问题。对模型进行了验证,利用该模型开展了钻杆结构参数对运动参数的影响分析,给出了钻杆结构参数对钻杆运动参数的影响规律,获得了钻杆结构参数的最佳取值范围。钻杆结构参数的优化,使得优化后的钻杆转速与转进速度比降低了13.8%。该优化结果降低了钻探过程中的卡钻风险和系统能耗,提高了钻取采样输月壤效率。其次,基于对螺旋钻杆的输出月壤原理及输出月壤阻力(阻力矩)的分析,综合考虑了螺旋槽内月壤对钻杆驱动力矩的影响、螺旋升角的取值范围和钻杆的轴向钻进功率,建立了钻杆驱动力矩、轴向加载力及功耗的模型,利用该模型分析了钻杆外径、螺旋槽深、槽宽比及螺旋升角等结构参数均与钻杆驱动力矩和轴向加载力的影响,获得了钻杆结构参数对钻杆驱动力矩和轴向加载力的影响规律。以钻杆质量和功耗最小为双优化目标,以钻杆外径、螺旋槽深、槽宽比及螺旋升角等结构参数为设计变量,基于遗传算法对钻杆结构参数进行了优化,优化后的功耗较优化前的功耗降低了31.8%,钻杆质量减小了23.3%。减少了钻探风险,可为钻取式自动采样机构的设计提供理论依据。基于对螺旋钻头的输出月壤阻力、驱动力矩及月壤失效区的分析,建立了钻头的力学模型,该模型综合考虑切削具外侧面与月壤之间的压力及摩擦力,考虑月壤侧向失效面的面载荷对钻头切削具周向力矩、总功耗及月壤失效距离的影响,数值仿真与试验结果验证了模型的正确性(最大误差小于10.63%)。在数值仿真过程中采用深层月壤本构关系的Mohr-Coulomb模型,使仿真更加符合月壤内摩擦角大于22°的真实情况。利用该模型分析并获得了钻头结构参数对切削具功耗和失效距离的影响规律,以钻头功耗最小为优化目标,用遗传算法对钻头结构参数进行了优化,优化后的功耗较优化前的功耗降低了34.8%。该优化结果降低了钻探过程中的烧钻风险和系统功耗。可为钻取式自动采样机构的钻头设计提供理论依据。然后,本文提出了一种岩土机械特性和物理特性随深度变化的分层建模方法,利用该方法建立了更加接近月壤真实情况的岩土本构关系。模拟钻取式采样机构钻进月壤的运动过程,分别分析了钻取式自动采样机构钻进月壤阻力和钻进周向驱动力矩与钻进深度的关系,并均与理论数据和试验数据进行了对比,验证模型的正确性。为试验钻取式自动采样机构的修正和设计提供了有利的依据。最后,建立钻取式自动机构的故障树模型,开展了故障树分析,给出了导致钻取采样失败的一阶最小割集清单,为钻取式自动采样机构的可靠性设计提供了指导。
【关键词】：钻取采样机构 结构参数 钻芯取样 月壤 优化 可靠性
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V476.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-31
• 1.1 选题的背景和意义13
• 1.2 国内外深空探测自动采样机构研究现状13-25
• 1.2.1 内外同心外动内静式单杆钻取式自动采样机构14-18
• 1.2.2 内外同心外动内静式多杆钻取式自动采样机构18-21
• 1.2.3 超声波钻取式自动采样机构21-22
• 1.2.4 仿生树蜂钻取式自动采样机构22-23
• 1.2.5 钻取式自动采样机构的综合比较23-24
• 1.2.6 月球钻取式自动采样机构的发展趋势24-25
• 1.3 模拟月壤的研究现状25-26
• 1.4 钻取式自动采样机构参数分析的现状及存在的问题26-28
• 1.5 论文的研究内容、目标及技术路线28-31
• 第2章 钻杆的结构与运动参数分析31-47
• 2.1 月壤机械与物理特性31-33
• 2.1.1 物理特性31-32
• 2.1.2 机械特性32-33
• 2.2 空心螺旋钻杆与月壤相互作用力学模型33-38
• 2.2.1 基本假设33-34
• 2.2.2 月壤微元块运动参数的解析模型34-37
• 2.2.3 钻杆运动参数与月壤微元块绝对角速度的关系37-38
• 2.3 月壤内聚力、月壤内摩擦系数随着月壤深度变化的关系38-39
• 2.4 试验验证39-40
• 2.5 钻杆结构参数对运动参数的影响分析40-44
• 2.6 基于以转速和钻进速度比最小的钻杆结构参数优化44-45
• 2.7 本章小结45-47
• 第3章 螺旋钻杆结构参数的多目标优化47-58
• 3.1 力学模型的建立47-50
• 3.2 力学模型的验证50-51
• 3.3 钻杆结构参数对钻杆驱动力矩和轴向加载力的影响分析51-55
• 3.4 基于以质量最小和功耗最小的钻杆结构参数优化计55-56
• 3.5 本章小结56-58
• 第4章 钻头结构参数对力学性能的影响58-76
• 4.1 钻头结构及其参数58-59
• 4.2 钻头力学模型的建立59-68
• 4.2.1 刃尖角许用公式60-63
• 4.2.2 钻头切削力公式63-67
• 4.2.3 钻头周向扭矩、功耗公式67-68
• 4.3 钻头钻进过程的仿真分析及试验验证68-70
• 4.3.1 仿真分析68-69
• 4.3.2 试验验证69-70
• 4.4 钻头结构参数对切削具力学性能的影响分析70-73
• 4.5 切削具结构参数的优化设计73-74
• 4.6 本章小结74-76
• 第5章 钻进过程动态模拟仿真及验证76-95
• 5.1 仿真分析软件的选择77-78
• 5.2 MOHR-COULOMB塑性模型78-83
• 5.3 仿真模型的建立83-85
• 5.4 材料属性、接触及边界条件的定义85-88
• 5.4.1 材料属性定义85-86
• 5.4.2 月壤相关参数的确定86-87
• 5.4.3 接触及边界条件设置87-88
• 5.5 仿真结果的分析88-92
• 5.5.1 钻杆和月壤应力结果分析89-90
• 5.5.2 钻杆周向扭矩和轴向加载力分析90-91
• 5.5.3 能量曲线分析91-92
• 5.6 试验验证92-94
• 5.7 本章小结94-95
• 第6章 可靠性分析95-101
• 6.1 故障树的建立95-98
• 6.2 故障树的定性分析98-99
• 6.3 本章小结99-101
• 结论与建议101-104
• 参考文献104-111
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单111-112
• 致谢112-113
• 作者简介113

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本文编号：715313