钻头—月壤相互作用力学模型及仿真分析

【摘要】研究一种可靠性高,寿命较长的硬质合金取心钻头对样品进行原地或将样品带回地球研究成目前登陆月球的主要目标和任务。本文结合对月壤的物理力学特性研究,建立钻进刀具与月壤相互作用的力学模型,得出钻具驱动力矩和进尺驱动力关于刀具结构参数和月壤的物理力学特性参数的数学方程。分析各参数对切削阻力矩及钻压的影响规律,得出在刀具结构参数中刀具的前角和刀具到轴心的距离对阻力矩的影响较大；刀具切削刃宽度对钻进阻力矩影响较小,而刃尖角的大小对钻进阻力矩的影响不明显。切削阻力矩及钻压随着刀具前角的增大而减小,阻力矩随着刀具到轴心的距离以及刀具宽度的增大而增大。刀具结构参数中除了刀具到轴心的距离并不影响钻压的改变外,其他参数对钻压的影响与对切削阻力矩的影响规律基本一致。利用ANSYS瞬态动力学接触模块仿真分析改变钻头刀具结构参数,月壤参数及钻进规程参数,研究月壤刀具最大等效应力应变的变化规律及月壤破坏区域的形状。得出刀具前角增大时,月壤所受的最大等效应力和应变值增大,破土能力增强。刀具到轴心的距离增加时月壤所受的最大等效应力应变值减小,破土能力变差。刀具宽度增加时,月壤最大等效应力应变变化较小,规律性不明显。因此,在钻头结构设计时,刀具的正前角选择20°,刀具到轴心的距离选择较小值,切削刃宽度选择较小值的硬质合金取心钻头。随着月壤弹性模量及泊松比值的增大,钻头刀具最大等效应力值增加,因此钻进越难。当钻压在300N～420N范围内取值时,月壤最大等效应力应变随着转速的增加先增大后减小。当钻头转速为175rpm/min的时候月壤最大等效应力应变值最大,钻进效果最好。随着钻头轴向位移增大,月壤最大等效应力应变增大,刀具对月壤的破壤能力增强。
【作者】朱燕鸥；
【导师】周琴；
【作者基本信息】中国地质大学（北京），机械工程，2014，硕士
【关键词】月壤；钻头结构；刀具材料；等效应力；仿真分析；阻力矩；刀具结构；应变值；取心钻头；切削刃；

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