月面采样钻具回转冲击作用研究

发布时间：2018-01-20 17:31

  本文关键词： 月面采样 钻取 回转冲击 应力波　出处：《哈尔滨工业大学》2013年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：我国月面钻取采样任务中，采样钻具的钻取能力直接决定了采样任务的完成情况。由于月壤中存在不同粒径、不同硬度等级的月岩，因此钻具对月岩的破碎能力是钻取能力的主要评价指标。为提高采样钻具对岩石的破碎能力，需要采用回转冲击钻进的方式。故本文以回转冲击作用下岩石破碎机理、冲击动力的产生及优化为主线，开展了冲击系统的理论分析、仿真模拟和试验研究。 基于脆性岩石的拉伸破碎准则，在充分考虑钻具构型参数的基础上，建立了回转切削作用下钻具与岩石相互作用力学模型，获得侵入深度、钻压力等参数对水平切削力的影响，并对理论模型开展了试验验证；建立了钻具冲击作用下岩石破碎的动力学模型，获得冲击力函数对冲击深度的影响关系。针对典型的脉冲冲击力函数，开展了冲击碎岩数值模拟，验证了模型的正确性。 针对钻具驱动装置冲击机构，建立了冲击过程动力学模型，获得双圆柱形激振块几何构型与产生应力波波形函数之间的关系；基于冲击能量传递效率最大的原则，优化冲击应力波波形，获得冲击凿岩过程中冲击能量最大传递效率及其影响因素；基于优化应力波波形，结合冲击机构动力学模型，优化激振块构型；应用显式动力学分析软件LS-DYNA开展冲击过程仿真分析，对比优化前后激振块的冲击效果，证明了优化分析的可行性；开展回转冲击破碎岩石过程数值模拟，获得特定输入参数下岩石的应力分布和钻头侵深曲线，为更深入的参数仿真优化研究打下基础。 本文通过试验研究了冲击功、冲击频率和钻压力等宏观参数对钻进效果的影响；分别开展了恒力钻进和恒速钻进模式下，单一参数变化对进尺深度和回转转矩的影响规律，并进一步分析了多参数耦合时的影响规律，，从而为月面采样钻具回转冲击参数优化提供了依据。 通过理论分析、数值模拟以及试验验证，本文获得了冲击参数对岩石破碎效果的影响规律，为月面采样钻具设计与优化提供了理论支持，同时也为我国月面采样任务的顺利完成奠定了基础。
[Abstract]:In the lunar drilling sampling task in China, the drilling ability of the sampling drilling tool directly determines the completion of the sampling task. Because of the different particle size and different hardness of lunar soil, the lunar rock is of different hardness. Therefore, the breaking capacity of drilling tools to moon rock is the main evaluation index of drilling ability. It is necessary to adopt the method of rotary percussive drilling. Therefore, the theoretical analysis, simulation and experimental study of the impact system are carried out on the basis of the mechanism of rock breakage and the generation and optimization of impact force under the action of rotary impact. Based on the tensile breakage criterion of brittle rock and considering the parameters of drilling tool configuration, a mechanical model of the interaction between drilling tool and rock under the action of rotary cutting is established, and the depth of invasion is obtained. The influence of drilling pressure and other parameters on the horizontal cutting force is tested and verified. The dynamic model of rock fragmentation under the impact of drilling tools is established, and the relationship between the impact function and the impact depth is obtained. According to the typical impulse impact force function, the numerical simulation of rock crashing is carried out. The correctness of the model is verified. The dynamic model of the impact process is established for the impact mechanism of the drill tool drive device. The relationship between the geometric configuration of the double cylindrical vibration stimulator and the waveform function of the stress wave is obtained. Based on the principle of maximum energy transfer efficiency, the wave form of shock stress wave is optimized, and the maximum transmission efficiency of impact energy and its influencing factors are obtained. Based on the optimized stress wave waveform and the dynamic model of the shock mechanism, the configuration of the exciting block is optimized. The impact process simulation analysis is carried out by using explicit dynamic analysis software LS-DYNA. The impact effect of the exciting block before and after optimization is compared and the feasibility of the optimization analysis is proved. The numerical simulation of rock breakage process with rotary impact is carried out to obtain the stress distribution of rock and the penetration curve of bit under certain input parameters, which lays the foundation for further research on parameter simulation optimization. In this paper, the influence of macro parameters, such as impact power, impact frequency and drilling pressure, on drilling effect is studied through experiments. Under constant force drilling and constant speed drilling mode, the influence law of single parameter change on the depth and torque of rotary is developed, and the influence law of multi-parameter coupling is further analyzed. Therefore, it provides the basis for the optimization of rotary impact parameters of lunar surface sampling drilling tools. Through theoretical analysis, numerical simulation and experimental verification, the influence of impact parameters on rock fracture effect is obtained, which provides theoretical support for the design and optimization of lunar surface sampling drilling tools. At the same time, it lays a foundation for the successful completion of the lunar surface sampling task in China.
【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】：2013
【分类号】：P184;P634

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