月面表取采样机土作用力学特性研究

【摘要】我国嫦娥探月工程三期的主要任务是无人采样返回，采用钻取采样和表取采样两种方式获取样品。其中表取采样是通过挖、铲和夹持，获取月球表面月壤和岩石样品的采集方式。表取采样是最有效且易实现的方式，也是决定三期任务成功的关键和基础。为此，研究采样器末端执行机构（采样铲）与月壤相互作用的力学特性关系，探讨月壤状态、工况设置和采样器结构对采样阻力和工作效率的影响规律，可为采样器的研制、优化和采样提供参考和依据。根据表取采样铲挖动作和工作原理，研制月面表取采样机土作用试验台，采用JLU-2模拟月壤和火山石模拟月球表面，分别对铲取采样和挖取采样进行试验研究。通过铲取试验分析了入土角、入土速度、模拟月壤状态对铲取阻力的影响规律。通过挖取试验探讨入土角、月壤状态、石块分布对挖取工作阻力的影响。通过三维扫描分析了采样对月壤的扰动和破坏。根据土壤挖掘理论和土体动力学，对Gill模型进行修正，建立了与试验情况相符的铲取模型；挖取模型采用Zelenin模型，便于分析挖取转矩随角度的变化规律，将铲挖两模型与试验对比得出二者都能够较好的描述铲挖过程阻力变化情况。在此基础上，分析了内聚力、内摩擦角等参数对铲挖阻力的影响。通过离散元软件PFC2D/3D进行双轴和三轴模拟试验，并结合实际铲挖月壤大变形破坏特点，分析了微观参数和月壤宏观力学参数的关系，确定了用于模型分析的微观参数。通过PFC2D/3D对微重力条件下铲挖特性进行了分析。通过PFC2D生成大粒径颗粒的方式来模拟月岩，建立了不同大小及位置的故障状态，进行了低重力状态下的铲取过程模拟。通过PFC3D软件对低重力下不同铲挖过程进行了研究。分析了铲斗铲入一定深度然后水平切削再向上挖铲的情况，分析了铲斗刺入不同深度然后挖出的情况，分析了挖斗宽度对挖取月壤转矩的影响规律。研究内容和成果可以为月面表取采样任务的实施和采样机构的研制及优化设计提供一定的理论和数据参考。
【作者】赵振家；
【导师】邹猛；
【作者基本信息】吉林大学，农业机械化工程，2014，硕士
【关键词】表取采样；模拟月壤；工作阻力；机土作用；离散元；

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