月壤钻进过程的离散元分析
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摘要
我国将于2017年发射"嫦娥五号",实现月壤自动采样并返回,分析钻具与月壤的相互作用机理对于月壤能够正常采样具有重要的现实意义。由于实验上很难观测到钻具与月壤的作用过程,影响钻进过程的因素(例如颗粒形貌、物理性质,钻具的钻进规程,微重力环境等等)又非常复杂,因此单纯通过实验手段分析月壤与钻具的作用机理非常困难。而离散元方法(DEM)则为此提供了一个有效的辅助分析手段,相比于实验方法具有成本低、可观测内部结构等优点,该方法目前已经成为国际上较为有效且能高效处理颗粒流的方法。本文通过离散元方法对钻进过程开展了详尽的动力学分析。对于离散元方法中颗粒间相互作用模型,我们采用了计算相对简单但很高效的Hertz接触模型。为了通过连续介质力学的观点来揭示颗粒的流动机制,仿真结束后我们对颗粒的运动信息以及接触信息进行了均匀化处理,并得到了钻进过程中散体介质的速度场和应力场。根据Jop等人的理论我们对散体介质的流动规律进行了理论分析,并最终得出散体的流动是受重力场、压力场和粘性力场共同作用的结果。进而我们研究了钻进规程、颗粒的物理性质以及微重力环境对于取样、排粉和钻具所受力载的影响,并得到了初步结论。钻进规程和颗粒的剪切模量会影响压力场,颗粒间摩擦系数会影响粘性力场,而力场的改变对于取样、排粉以及钻具所受力载都会产生改变。微重力环境对取样的影响很小但会减小钻具力载。
引文