冲击贯入式潜入器潜头构型参数优化研究

发布时间：2017-12-13 10:12

  本文关键词：冲击贯入式潜入器潜头构型参数优化研究

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【摘要】：随着人类对地外天体的地质构成、进化演变、星壤物理及化学特性的探索兴趣越来越浓厚，各国争先致力于深空探测技术的研究。不同于复杂的表取、钻取，本课题所研究的潜入器采用非钻进下潜技术，结构紧凑、轻量化及低能耗的优势使其不但更能适应严峻复杂的太空环境，且能不断地获取天体表层、次表层星壤的物理及化学特性，监测天体的地质变化。本文针对冲击贯入式潜入器，通过理论分析、离散元仿真及冲击贯入试验，开展了潜头构型参数优化研究，以便使潜入器具有更好的下潜特性。 潜头作为最先且全程与月壤接触的部分，其构型及构型参数将直接影响潜入器的破土效果与下潜特性。本文在土力学理论的基础上，结合月壤的物理及力学性质，针对所提出一种变曲率弧形潜头构型及构型参数，揭示冲击潜入过程中月壤的失效机理。 在变曲率弧形潜头的基础上，针对外凸、内凹两种曲率固定的圆弧形潜头潜入器，分别建立其下潜三个阶段的力学模型，得到每个阶段潜入器所受轴向阻力。通过给定其他相关参数，开展构型参数对潜入器所受轴向阻力的影响研究，并对比分析外凸、内凹圆弧形潜头潜入器所受轴向阻力大小，得到潜头较优构型。 针对内凹圆弧形潜头构型，建立潜入器的冲击锤与潜入器共同下潜过程的动力模型，得到冲击锤N次冲击后潜入器的下潜深度随冲击次数变化的规律。在颗粒流动及工程流体力学理论的基础上，分析下潜过程中流动月壤微元的应力状态，开展构型参数对月壤破坏区滑移线上微元月壤水平速度与竖直速度比值的影响研究。以潜入器下潜深度、月壤水平速度与竖直速度比为目标函数，建立优化模型，对内凹圆弧形潜头的构型参数进行优化研究，从而得到最佳构型参数。 应用离散元软件EDEM，建立模拟月壤的离散元模型，模拟仿真外凸、内凹圆弧形潜头潜入器的下潜过程，观测月壤的失效破坏，得到不同构型参数的潜入器所受轴向阻力随下潜深度变化的仿真曲线，用于验证理论分析的正确性。研制冲击贯入式潜入器潜头综合特性测试试验台，针对不同潜头构型进行冲击贯入试验，验证所提潜头构型及构型参数的合理性。
【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】：2014
【分类号】：P184.5;V476

【参考文献】

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本文编号：1284749