月壤表取采样过程离散元仿真分析平台研究

在月球表取采样系统优化设计的研究中,月球表取采样系统的设计需要计算采取月壤的质量以及采样过程中易受到月壤阻力的影响,进而确定系统储备的功率大小以及是否能够达到采样的目标。月壤属于散体材料,在采样过程中形态和力学特性不断变化,连续介质力学和经典土力学理论将研究对象作为一个整体,只能解决极限平衡状态下的受力问题,不能处理散体材料大变形和连续变形的问题。为解决上述问题,提出运用三维离散元方法对月壤的采样过程进行数值仿真,建立月壤的物理力学模型以及不同采样机具的参数模型,在地球环境下对仿真结果进行验证,然后利用上述模型在月球环境下进行仿真和分析,得出低重力环境对采样过程的影响结果。离散元仿真分析平台可以为实际的月壤表取采样方案确定、采样机具结构设计、采样机具动力设计等提供重要的参考和依据。

嫦娥五号月面表取采样点选择

嫦娥五号探测器成功实现了我国首次地外天体采样返回,利用表取采样方式顺利完成了月面多点样品采集工作。根据嫦娥五号探测器特点,阐述了表取采样工作过程,分析了斜侧安装的监视相机可视覆盖区域,并形成了适应于光照不均匀、纹理高度相似场景的月面三维数字重构流程。然后,结合表取采样机械臂与器表设备构型布局情况,构建了表取采样可达约束条件,进行了可视可达区分析。并针对任务采用的一类大尺度采样器,提出了数字仿真分析与物理实物验证相结合的采样点确定方法。嫦娥五号月面工作期间,利用该方法通过分析、仿真与物理验证,实现了平均精度优于1 cm的物理地形重建,确定了周向安全间距不小于15 cm、纵向安全间距不小于2 cm的采样点族,结果表明该方法确定的采样点正确、安全,有效支持了嫦娥五号表取采样活动。

表取采样机构悬吊式低重力补偿装置设计

在探月工程三期中,为了满足表取采样机构地面试验环境构建的要求,在调研重力补偿方法的基础上,设计表取采样机构悬吊式低重力补偿装置.根据表取采样机构运动规律,确定了“补偿装置与表采机构运动对应一致”的设计思想,形成了主、从臂配重补偿方案,对装置设计进行详细的理论分析,完善了重力补偿装置的结构设计.

面向深空探测的星球钻取采样技术综述

回顾国内外星球钻取采样技术发展现状的基础上,详细论述了星壤的物理力学特性及模拟星壤制备工艺,着重分析了钻进取心特性实验及理论研究成果,深入剖析了包含钻进状态参数辨识及自主钻进控制在内的星球自适应钻进规程关键技术问题。在此基础上,以我国探月三期工程无人钻取采样任务为研究背景,提出了对星球钻取采样技术的展望与建议。

月壤钻取采样钻进导向机构多方案评价与优选

我国探月三期的主要目标之一是利用钻取采样装置获取不小于2 m深度的月壤样品并返回地球,钻进导向机构的合理设计是保证钻取采样装置顺利采样的关键。在充分分析钻进导向机构所要求的功能和性能的基础上,对钻进导向机构提出合理构型,并针对导轨副摩擦形式和接触类型的不同,提出8种设计方案。为综合评价各方案的优劣,给出评价指标集,基于层次分析法建立导轨副多方案的综合评价模型。通过对判断矩阵的计算和一致性检验,得出各方案权重,最后确定方案集中的最佳方案,为类似的多方案优选提供依据。

月球极区钻取采样技术

我国正在积极开展针对月球南极的探月四期工程论证,将探索月球极区物质组成、资源分布及存在形式作为后续月球探测的重要科学目标,拟对月球极区开展采样原位探测和采样返回探测。由于月球极区特殊的环境特性,极有可能存在冻土形式的含水月壤或水冰,开展针对这类对象的采样技术研究将有力支撑未来月球探测任务的论证和实施,具有重大的工程意义。面向探月四期工程,在对极区采样作业环境、作业对象分析的基础上,对极区钻取采样关键技术进行了梳理提炼;针对月球南极永久阴影区原位探测和非永久阴影区采样返回两项任务需求,分别开展了钻取采样机具设计要素分析,对任务作业模式及采样机具提出了方案设计,并介绍了相关技术研究和产品研制的进展情况。

月壤钻取采样装置结构动态响应优化设计

月壤钻取采样装置结构复杂,研究装置结构动态特性在工程试验中耗费巨大而且周期较长,为了有效测试采样装置承受复杂力学环境的性能,用ABAQUS有限元软件建立了采样装置的整机有限元模型并进行了频率响应分析和随机响应分析,得到了钻取采样装置关键部件沿整机X、Y和Z向在频域内的加速度响应曲线;找出了钻取采样装置在特定状态下结构振动剧烈的区域;获取了钻取采样装置受迫振动时振源的频率范围。研究结果为钻取采样装置振动测试分析和结构优化提供了理论依据,为研究钻取采样装置减振技术提供了新思路和新方法。

钻取采样装置静态接口测试系统设计

为节省钻取采样装置在电测过程中的检测时间,降低操作风险,该文设计了一种钻取采样装置静态接口测试系统。该系统主要由前端接线箱、继电器矩阵模块、测量模块、主控制器、机箱5部分构成,对钻取电缆网各机构组件电接口接点间特性进行测量,为评估线缆网及各功能模块技术状态建立基本依据,该文主要对测试系统的软硬件结构、电阻测试链路补偿和电阻测量模式进行了介绍。经验证,该系统性能稳定、设计可靠、人机界面友好,在试验的过程中得到完整的测试数据,并提供数据存储与处理。

月壤钻探采样装置中的钻杆结构参数优化设计及模拟试验

对月球次表层钻取采样外螺旋钻杆的输土阻力进行理论分析。基于散体力学中连续介质假设,建立钻杆回转输土阻力矩模型。利用该模型分析钻杆直径、螺旋升角等结构参数与输土阻力矩变化的关系,给出参数选择范围。以钻杆输土所消耗的功率为目标,以钻杆结构参数为变量,对钻杆结构参数进行优化设计,使优化后的钻杆平均输土功率降低了30.5%。对结构优化后的钻杆输土阻力进行测试试验,验证了钻杆输土阻力矩随深度增加而变大的趋势。研究成果能为月球次表层采样钻杆设计提供理论依据。

大颗粒岩块对月壤钻取过程的影响分析

针对月壤钻取采样过程中存在大颗粒岩块情况进行三维离散元动态仿真分析。建立考虑扭转、弯曲力矩及等效引力作用的新型三维离散元月壤模型,通过三轴仿真试验进行细观参数标定,得到黏聚力为0.90 k Pa,内摩擦角为42.25°的满足真实月壤宏观力学指标的仿真模型。针对月壤内层存在大颗粒情况设计4种采样工况分别进行仿真分析,监测大颗粒运动轨迹与采样效率,发现了"旋入效应"、"纵向运移效应"与"阻塞效应",仿真结果表明岩块粒径大小直接影响采样结果:当岩块粒径小于钻头"虚拟切削圆"时,其无论存在于任何位置对采样效率与后续样品缠绕收集均无明显影响;当岩块粒径大于"虚拟切削圆"时,阻塞现象严重,样品收集困难,极易导致采样失败。研究结论对月壤钻取采样控制设计与钻具结构设计具有重要的工程参考价值。

月壤钻采取样方式对样品层理的影响

针对月壤钻采任务,基于离散元月壤模型,分析了硬质管取芯与软袋取芯2种取样方式的层理保持特性,提出了曲面斜率法描述月壤样品的层理信息。该方法能够通过拟合曲面直观反映随钻深分布的各层月壤样品变形情况,并能够定量描述各层样品轻微扰动部分与层理破坏部分的分界范围,以及层理破坏趋势与程度。分析结果表明:取样袋能显著保护样品的层理信息,而硬质管取芯对外侧月壤样品层理破坏严重,且破坏层数较多,但层理破坏较轻微的样品直径范围与有取样袋工况差别不大。此外,2种工况下,表层月壤样品层理信息均破坏严重,说明了表层月壤具有较强的随动性。

石油类和动植物油测定中萃取设备与脱水方法的改进

对红外分光光度法测定水质石油类和动植物油中萃取设备和脱水方法进行改进,用采样-自动萃取联体装置来萃取样品,提高该方法操作规范化程度,解决了沙芯漏斗难清洗及交叉污染的问题;提高了样品前处理自动化程度,减少待测物质损失,提高方法精密度和准确度;减轻分析人员劳动强度,提高了工作效率;最大程度减少萃取过程四氯化碳对分析人员的毒害,能更好适应当今日益繁重的监测任务。

静态顶空/顶空固相微萃取-气相色谱-质谱法检测食品用塑料包装材料中挥发性有机化合物残留量的适用性研究

对两种采样方法——静态顶空法(SHS)和顶空固相微萃取法(HS-SPME)-用于气相色谱-质谱法(GC-MS)检测食品用塑料包装材料中15种挥发性有机化合物(VOC′s)残留量的适用性作了比较研究。SHS中选用的提取温度和时间依次为100℃和20 min。HS-SPME中用50/30μm DVB/CAR/PDMS萃取头,在室温萃取20min。结果表明:用HS-SPME采集挥发物时,测定结果的灵敏度远高于SHS,虽然采用两种方法所得测定值的RSD值相比较,SHS优于HSSPME,但考虑到食品用塑料包装材料中VOC′s的阈值很低,用HS-SPME与GC-MS相结合更适当。

空气监测现场采样流程及质量控制

伴随着我国社会主义经济的快速发展,城市化进程的速度不断提升,城市环境的情况逐渐恶化,为了可以加速推动城市的快速的发展进步,需要非常的重视对环境的保护工作的开展,为人们的生活提供一个健康氛围环境。空气监测的工作对于提升环境保护方面有着重要的作用,空气监测的实施过程中的质量控制工作是保障监测的获取的数据准确和完整的前提条件。本文从空气监测的现场取样的流程上进行叙述,确保空气监测的实际达成质量,制定有效的措施进行改善。

智能电网监测传感器设计与研究

本文提出了一种基于铁芯优化的分布式智能电网监测传感器,该传感器取能效率高同时具有较高的信号采集精度,并具有方便工程安装,使用寿命长的特点。建立监测传感器的数学模型,分析传感器铁芯引入气隙后测量后误差形成的机理,并对其进行仿真优化。根据传感器工作原理全面设计了传感器的采样取能电路和整体结构,保障其在野外恶劣环境中,长时间使用。制作了传感器样机并进行实验验证,结果表明,优化后的传感器,最小启动电流2 A可正常取能运行,比差测量精度达0.2级,角差的测量精度达到1级且具有良好的线性度。

月球风化层钻取采样过程密实度分类研究

钻取采样是月球风化层土壤样品获取的重要方式,密实度是重要的风化层月壤原位特性,对钻进过程中的策略制定有重要影响。本文结合钻取采样过程特点,提出了通过采样机构的力、速度、电流、温度等传感器获取的瞬时信息感知月壤密实度的方法,利用深度学习方法构建一类适应于可变长度序列数据的门控型循环神经网络,实现钻进过程月壤密实度在线分类。研究表明,该分类方法在风化层钻进过程中月壤密实度感知滞后时间约为33s,对未知序列数据识别正确率大于89.36%,具有较高的分类精度和泛化能力。

基于月面表取采样触月压痕的月壤力学状态分析

以表取采样机械臂的触月传感组件与月表接触留下的压痕为研究对象,通过监视相机提取压痕的几何特征参数,结合偏最小支持向量机(LSSVM)建立评估月壤力学状态模型。采集压痕试验数据264组,按力学状态把数据随机划分为建模组和验证组,以压痕的深度、长边长、压痕周长和面积为输入变量,建立LSSVM模型,验证组预测精度分别为93.75%、83.33%和87.50%。结果表明,该模型可作为一种有效的判别手段,为表取采样深度的确定提供参考。

月球钻取采样机构的钻杆结构与运动参数分析

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(钻进速度和钻杆转速)与钻杆结构参数(钻杆螺旋升角、外径、槽宽比和螺旋槽深等)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,使得钻杆参数符合月球钻取采样的实际工况。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。以钻杆转速与钻进速度比最小为优化目标,以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,优化后的钻杆转速与转进速度比降低了13.8%。该优化结果降低了系统能耗,提高了钻取采样输月壤效率,可为钻取式自动采样机构的设计提供理论依据。

嫦娥五号表取采样臂载相机成像位姿与覆盖

嫦娥五号探测器成功实现了中国首次地外天体采样返回。月面工作过程中,表取采样机械臂上的臂载相机获取了大量的图像数据,结合嫦娥五号四自由度表取采样机械臂,利用几何法描述了其逆运动学,针对臂上远摄相机和末端近摄相机2种形式的臂载相机,提出了单目运动相机的成像位姿确定方法,并分析了不同成像位姿图像对表取采样区的视场覆盖,建立了非图像化的多图像交叠评估原则。根据嫦娥五号月面表取采样臂载相机图像,进行了成像位姿与视场覆盖仿真分析,并通过地形重建对结果进行了验证。结果表明该方法可确定大范围运动的臂载相机所获得的图像的交叠联系,通过成像位姿与图像特征相结合,可为区域地形重建等多图像联合应用提供支持。

贵阳市二环林带主要树种胸径和树高的生长分析

通过对二环林带各标段调查分析,取点采样测量树种生物量,分别在各标段点内选一株平均优势木做解析木进行了分析;针对各标段主要树种的胸径和树高随着年龄的变化,并利用统计分析其生长变化曲线,探索了其生长状况和生长规律。