模拟月壤钻进取芯力学建模及钻进策略研究

发布时间：2017-08-29 16:18

  本文关键词：模拟月壤钻进取芯力学建模及钻进策略研究

  更多相关文章： 月壤特性 钻进负载 取芯特性 钻进策略 地面验证

【摘要】：随着航天技术的飞速发展,人类对宇宙的探索不断深入。在新一轮空间探索中,地外星体探测成为了世界各国的研究重点。在星球探测中,钻进取芯装置是星球次表层取样的主要工具。虽然美国和前苏联已经成功的对月球和火星进行了多次探测,但我国在星球探测无人自主钻探装置设计研究领域还处于起步阶段,关键性技术亟待突破。本研究在国防领域科技重大专项“探月工程三期预研攻关项目”支持下,开展月球无人自主钻探取样装置钻取特性及其相关关键技术的研究,为我国月球无人自主钻探取样装置的研制提供理论基础与技术支撑。在月面钻取采样任务中,月壤的机械特性是钻进负载和取样量的重要影响因素。为了开展钻取采样装置的验证试验,次表层模拟月壤的制备和测试成为了亟待解决的问题。本文针对钻进取芯地面试验中次表层模拟月壤机械特性定量测试的问题,分析次表层模拟月壤制备过程中影响其机械特性的因素,提出了一套适用于次表层模拟月壤制备和测试方法。提出基于堆积密度的次表层模拟月壤的抗剪强度分析方法。结合DMT测试,给出了次表层模拟月壤的抗剪强度沿深度方向的分布,为开展基于次表层模拟月壤的钻进取芯研究提供了试验依据。月壤与采样机具间的相互作用在月球无人采样器的设计、性能评价、控制和仿真等方面具有重要作用,目前对于月壤与采样机具间相互作用中的钻进负载研究尚不充分。本文基于被动土压力理论,根据不同的土体切削状态,分析了堆积区土体对破坏区土体的作用和对总钻头负载的贡献,建立了月壤取芯钻头钻进松散土体的钻进负载模型,并开展了基于模拟月壤HIT-LS1#和试验钻具HIT-2的验证试验。在月球钻取采样器的设计中,软袋取芯方式可获得细长的连续钻取样芯,具有较高的取芯率,并能够保证次表层月壤样品的层理信息。由于取芯过程中月壤颗粒运动复杂,尚无系统的方法对软袋取芯的取样量影响因素进行分析。本文剖析了软袋取芯中月壤颗粒的流动情况,基于极限平衡理论构建了软袋取芯力学模型。基于该模型提出了预测取芯率数值计算方法,分析了钻进规程、月壤特性和钻具构型等因素对取芯率的影响。利用模拟月壤HIT-LS1#和试验钻具HIT-2在模拟钻进试验台上开展了验证试验,试验结果和模型预测结果平均误差小于5%。在月球钻探取样任务中,月壤和月岩的力学特性差异较大,探测器着陆区沿深度方向上的地质成分存在极大的不确定性,致使月面采样任务充满风险。为了保证月面采样的负载安全性并满足样品采取率的要求,钻进控制策略应具备对复杂钻进环境的适应能力,需要对钻进工况进行在线辨识并能够实时调整钻进动力参数。本文分析了钻进模拟月壤和模拟月岩以及钻刃接触及侵入岩块过程中的钻进状态监测信号特征,提出了基于安全规程的在线辨识方法。该方法利用人工神经网络实现了在安全规程下对典型钻进对象的辨识;利用连续小波变换实现了交界面的辨识。提出了基于在线辨识的自主钻进流程,为提高自主钻进的环境适应性奠定了基础。根据月面钻进过程中交界面检测、启动DPR和钻进对象辨识并启动相应DP等3种钻进状态,分析了各个钻进状态下合理的钻进规程,提出基于有限状态机的多状态自主钻进控制方法。研制了钻进取芯试验系统,利用模拟月壤、模拟月岩构建的多层钻进模拟环境和试验钻具开展了验证试验。试验结果表明多状态自主钻进控制方法能检测钻进状态的改变,并实时调整钻进规程参数,具备适应不同的钻进负载和振动干扰的能力,为地外无人自主钻探提供了解决途径。
【关键词】：月壤特性 钻进负载 取芯特性 钻进策略 地面验证
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V476.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-30
• 1.1 课题背景15-16
• 1.1.1 课题来源15
• 1.1.2 研究目的及意义15-16
• 1.2 国内外星球钻取采样器及无人自主钻进发展现状16-29
• 1.2.1 国外星球钻取采样器发展现状16-20
• 1.2.2 国外星球探测钻进特性研究发展现状20-25
• 1.2.3 国内星球钻取采样器发展现状25-27
• 1.2.4 国内星球探测钻进特性研究发展现状27-28
• 1.2.5 分析与启示28-29
• 1.3 本文主要研究内容29-30
• 第2章 次表层模拟月壤机械物理特性研究30-49
• 2.1 引言30
• 2.2 月壤力学特性30-32
• 2.3 模拟月壤的机械特性32-34
• 2.3.1 模拟月壤的颗粒形态32
• 2.3.2 模拟月壤的压缩性32-33
• 2.3.3 模拟月壤的抗剪强度33-34
• 2.4 次表层模拟月壤制备及机械特性影响因素分析34-40
• 2.4.1 重力条件对模拟月壤半空间的影响35-36
• 2.4.2 模拟月壤的倾倒过程36-39
• 2.4.3 圆柱形容器的边界效应39-40
• 2.5 次表层模拟月壤机械特性测试40-48
• 2.5.1 原位测试40-41
• 2.5.2 次表层模拟月壤的DMT测试41-42
• 2.5.3 根据DMT方法经验公式的数据处理42-45
• 2.5.4 基于DMT的复合测试方法45-48
• 2.6 本章小结48-49
• 第3章 模拟月壤钻进负载力学建模及试验验证49-67
• 3.1 引言49
• 3.2 月面钻进的地面试验手段与分析49-51
• 3.2.1 月壤机械物理特性与模拟月壤49-50
• 3.2.2 模拟月壤钻进取芯试验钻具50-51
• 3.3 基于被动土压力的切削负载分析51-53
• 3.4 钻具与月壤相互作用力学模型53-63
• 3.4.1 刀前堆积与钻头阻塞53-58
• 3.4.2 破坏区土体产生的负载58-61
• 3.4.3 辅助钻套处的附加扭矩61-63
• 3.5 钻具与月壤作用负载数值计算63-64
• 3.6 钻进负载模型的试验验证64-65
• 3.7 本章小结65-67
• 第4章 模拟月壤取芯力学建模及影响因素分析67-82
• 4.1 引言67-68
• 4.2 软袋式钻进取样原理68
• 4.3 软袋取芯动力学建模68-76
• 4.3.1 取芯软袋内的土体I静力学模型69-72
• 4.3.2 取芯钻头内孔中土体II动力学模型72-75
• 4.3.3 钻具外土体III的排屑应力关系75-76
• 4.4 钻进取芯数值计算及试验验证76-79
• 4.4.1 取样量的估计算法76-77
• 4.4.2 钻进取芯试验验证77-79
• 4.5 月壤特性、钻具构型和钻进规程对取芯率的影响分析79-81
• 4.5.1 月壤特性与取芯率关系79
• 4.5.2 钻具构型对取芯的影响79-81
• 4.5.3 钻进规程对取芯的影响81
• 4.6 本章小结81-82
• 第5章 基于钻进特征提取的钻进对象辨识方法研究82-98
• 5.1 引言82
• 5.2 月球风化层的构成82-83
• 5.3 典型工况的钻进特征83-88
• 5.3.1 模拟月壤的钻进特征分析83-85
• 5.3.2 模拟月岩的钻进特征分析85-86
• 5.3.3 典型工况的钻进特征识别86-88
• 5.4 模拟月壤-模拟月岩交界面的识别88-97
• 5.4.1 交界面的钻进特征分析88-90
• 5.4.2 交界面的特征辨识90-97
• 5.5 在线辨识自主钻进流程97
• 5.6 本章小结97-98
• 第6章 无人自主钻进策略及试验验证98-114
• 6.1 引言98
• 6.2 月面钻进的多工况及钻进规程98-100
• 6.2.1 月壤钻进工况与回转钻进规程98
• 6.2.2 月岩钻进工况与回转-冲击钻进规程98-99
• 6.2.3 交界面钻进工况与安全钻进规程99-100
• 6.3 多工况带来的问题100-102
• 6.4 有限状态的控制方法102-109
• 6.4.1 多状态自主钻进的控制原理102
• 6.4.2 有限状态钻进的实现102-109
• 6.5 无人自主钻进验证试验109-112
• 6.6 本章小结112-114
• 结论114-116
• 参考文献116-124
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果124-127
• 致谢127-128
• 个人简历128

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 梁磊;魏承;赵阳;;浅表层月壤铲挖采样的振动减阻技术仿真研究[J];航天器环境工程;2013年03期

2 黄雨;蒋馥鸿;;月壤工程地质特性综述[J];同济大学学报(自然科学版);2013年09期

3 邹猛;李建桥;贾阳;任露泉;李因武;;月壤静力学特性的离散元模拟[J];吉林大学学报(工学版);2008年02期

4 邹猛;刘国敏;李建桥;张金换;李因武;;微重力环境轮下月壤运动状态细观分析[J];交通运输工程学报;2009年06期

5 杨艳静;向树红;;模拟月壤力学性质的试验和仿真研究[J];航天器环境工程;2009年S1期

6 邹猛;李建桥;刘国敏;张金换;李因武;;模拟月壤地面力学性质试验研究[J];岩土力学;2011年04期

7 郑敏;蒋明镜;申志福;;简化接触模型的月壤离散元数值分析[J];岩土力学;2011年S1期

8 李萌;高峰;孙鹏;崔莹;;月壤力学参数反求及试验验证[J];北京航空航天大学学报;2011年09期

9 李丽华;唐辉明;刘数华;;月壤及模拟月壤微观结构的研究[J];岩土力学;2012年01期

10 谢宇明;卿启湘;汤钦卿;;月壤的钻取采样离散元动态行为研究[J];工程设计学报;2013年06期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 庞_g;邓湘金;郑燕红;;面对月壤采集的自动钻取机构设计[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第八届学术年会论文集（下篇）[C];2011年

2 谭强;李鹏;李云涛;郭志建;肖洪;吴淼;侯绪研;;吊夯式模拟月壤二次制备装置的研制[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第九届学术年会论文集（下册）[C];2012年

3 陈斌;李建桥;李因武;彭剑波;;刚性轮在模拟月壤上牵引力的研究[A];走中国特色农业机械化道路——中国农业机械学会2008年学术年会论文集（上册）[C];2008年

4 赵曾;孟炜杰;王国欣;李君;;钻取式月壤采样器力载试验研究[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第九届学术年会论文集（下册）[C];2012年

5 杨帅;董礼港;殷参;孙京;王国欣;张鼐;;导轨摆臂式表层月壤采样机构的研究[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第九届学术年会论文集（中册）[C];2012年

6 史晓萌;谭强;杨学宁;陈化智;田野;郭宏伟;;基于螺旋输送原理的多功能表层月壤采集装置的设计研究[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第九届学术年会论文集（下册）[C];2012年

7 张喜镇;;用于月壤介电常数分布研究的射电天文观测技术[A];第七届全国空间化学与陨石学学术研讨会论文集[C];2003年

8 谭松成;段隆臣;高辉;;重力环境对月壤三轴模拟试验结果的影响分析[A];颗粒材料计算力学研究进展[C];2012年

9 宫顼;王清川;曾婷;李贺;李鹏;李晟诚;侯绪研;;月壤钻取采样参数测试平台的研制[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第九届学术年会论文集（下册）[C];2012年

10 高兴文;殷参;赖小明;乔飞;刘晓庆;王彩凤;姜生元;;月壤钻探取心机构的多方案比较与分析[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第九届学术年会论文集（下册）[C];2012年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 郝哲;月壤厚度怎么测[N];人民日报;2007年

2 记者 袁于飞 通讯员 毛宁;我国模拟月壤研究达到世界领先水平[N];光明日报;2012年

3 记者　周芙蓉;中国将率先探测全月球月壤厚度[N];新华每日电讯;2006年

4 通讯员 毛宁 记者 陈瑜;我国成功研制第一代低重力模拟月壤[N];科技日报;2012年

5 展风;月球上的能源开发前景[N];中国经济导报;2007年

6 记者 韦玉芳;中国地大采集模拟月壤样品[N];地质勘查导报;2009年

7 张建松;月球氦3资源约有103万吨[N];北京日报;2009年

8 记者 魏忠杰;月球广泛存在重金属[N];新华每日电讯;2004年

9 黄歆 何云江;探月计划，估估月壤有多厚？[N];地质勘查导报;2006年

10 邹永廖;刘建忠;月球能源的聚宝盆[N];中国矿业报;2002年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 陈斌;基于模拟月壤的轮壤关系研究[D];吉林大学;2010年

2 田野;双螺旋阻隔式月壤取芯钻具设计及其性能研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

3 刘天喜;基于离散元法的月壤钻取动力学研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

4 王丽丽;月球钻取式采样机构参数优化及可靠性分析[D];北京理工大学;2015年

5 崔金生;采样钻具与月壤作用热力特性及温度场预测研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

6 史晓萌;模拟月壤钻进取芯力学建模及钻进策略研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

7 孟治国;月壤参数的辐射传输模拟与查找反演技术研究[D];吉林大学;2008年

8 郑永春;模拟月壤研制与月壤的微波辐射特性研究[D];中国科学院研究生院（地球化学研究所）;2005年

9 梁磊;浅层月壤铲挖动力学建模及应用研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

10 张丹;基于遥感数据的月球热流及月壤密度反演[D];华中科技大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 范文峰;小重力环境下模拟月壤承压特性试验及月球车/月壤关系研究[D];吉林大学;2012年

2 朴松杰;蠕动掘进器月壤接力式运移负载特性分析及试验研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

3 李志刚;人工装置与模拟月壤相互作用的土工离心模型试验研究[D];清华大学;2008年

4 刘飞;基于钻具—月壤相互作用模型的钻进取心性能研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

5 崔金生;模拟月壤的填充模型及特性研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

6 刘天喜;浅层月壤采样过程的机土耦合作用研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

7 蒋祝金;着陆器足垫与月壤相互作用研究[D];浙江大学;2013年

8 李晟诚;月壤钻探取心钻进规程研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

9 乔飞;月壤取芯组件特性分析及试验研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

10 李亮亮;月壤钻探取芯特性评价指标及影响因素研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

，

本文编号：754255