基于离散元的模拟月岩切削负载特性数值模拟及试验验证

钻取采样是人类获取月球岩石类样品的重要手段,钻进负载的稳定性是确保月岩采样任务成功的关键因素。由于岩石属性直接决定其可钻性等级,并影响钻进负载,有必要在地面环境中,分析岩石本构模型与钻进负载之间的关系,构建不同可钻性等级的岩石样本模型,开展模拟钻进试验,获知不同钻进参数下岩石采样的钻进载荷变化情况。据此,将地面条件下大理岩样本选作模拟月岩切削特性的研究对象,基于二维颗粒流程序(Particle flow code 2 dimensions,PFC2D),建立小切削深度下仿真分析模型。利用Plackett-Burman试验(PB试验)和中心组合设计(Central composite design,CCD)方法,确定影响岩石切削特性的微观参数,开展不同切削深度下的模拟月岩切削负载试验验证。经仿真分析与试验验证能得到与岩石切削特性相对应的离散元模型,试验结果表明该仿真模型在较小切削深度条件下的切削负载变化规律与实际情况一致。通过研究获得了一种建立模拟月岩离散元切削模型的建模方法,为后续分析钻头/切削刃构型参数对钻进/切削负载的影响提供了研究条件。

模拟月岩低作用力切削负载特性测试平台设计与试验验证

钻取采样是人类获取月球岩石类样品的主要手段,钻进效能是影响月岩采样任务能否成功的重要因素之一.针对在低作用力下的月岩高效能钻进要求,开展单个切削刃与月岩力学特性研究.根据切削负载特性测试功能需求,依次对测试平台指标、机械系统和控制系统进行详细设计.研制模拟月岩低作用力切削负载特性测试平台,利用测试平台开展岩石单刃切削负载和冲击破碎特性试验,结果发现,试验值和理论计算值变化趋势一致,可通过增加切削刃前角和刃倾角、提高冲击频率、降低钻进负载提高钻进效能.

模拟月壤-模拟月岩交界面钻进特征提取与辨识

为提高月壤-月岩交界面处的钻进工况辨识速度,分析了钻刃接触及侵入岩块过程中的钻进状态监测信号特征,提出一种基于连续小波变换的钻进对象交界面识别方法.该方法能够确定识别月壤-月岩交界面的小波变换阈值,其辨识结果不受钻进动力参数和噪声信号的影响.模拟月壤和模拟月岩分层钻进试验结果表明所提出的方法能够及时感知钻进对象的变化并调整钻进动力参数,实现具有环境适应性的无人自主钻取采样.