本文關(guān)鍵詞：模擬月壤鉆進(jìn)取芯力學(xué)建模及鉆進(jìn)策略研究

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【摘要】：隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展,人類對(duì)宇宙的探索不斷深入。在新一輪空間探索中,地外星體探測(cè)成為了世界各國(guó)的研究重點(diǎn)。在星球探測(cè)中,鉆進(jìn)取芯裝置是星球次表層取樣的主要工具。雖然美國(guó)和前蘇聯(lián)已經(jīng)成功的對(duì)月球和火星進(jìn)行了多次探測(cè),但我國(guó)在星球探測(cè)無(wú)人自主鉆探裝置設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域還處于起步階段,關(guān)鍵性技術(shù)亟待突破。本研究在國(guó)防領(lǐng)域科技重大專項(xiàng)“探月工程三期預(yù)研攻關(guān)項(xiàng)目”支持下,開展月球無(wú)人自主鉆探取樣裝置鉆取特性及其相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究,為我國(guó)月球無(wú)人自主鉆探取樣裝置的研制提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。在月面鉆取采樣任務(wù)中,月壤的機(jī)械特性是鉆進(jìn)負(fù)載和取樣量的重要影響因素。為了開展鉆取采樣裝置的驗(yàn)證試驗(yàn),次表層模擬月壤的制備和測(cè)試成為了亟待解決的問(wèn)題。本文針對(duì)鉆進(jìn)取芯地面試驗(yàn)中次表層模擬月壤機(jī)械特性定量測(cè)試的問(wèn)題,分析次表層模擬月壤制備過(guò)程中影響其機(jī)械特性的因素,提出了一套適用于次表層模擬月壤制備和測(cè)試方法。提出基于堆積密度的次表層模擬月壤的抗剪強(qiáng)度分析方法。結(jié)合DMT測(cè)試,給出了次表層模擬月壤的抗剪強(qiáng)度沿深度方向的分布,為開展基于次表層模擬月壤的鉆進(jìn)取芯研究提供了試驗(yàn)依據(jù)。月壤與采樣機(jī)具間的相互作用在月球無(wú)人采樣器的設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)、控制和仿真等方面具有重要作用,目前對(duì)于月壤與采樣機(jī)具間相互作用中的鉆進(jìn)負(fù)載研究尚不充分。本文基于被動(dòng)土壓力理論,根據(jù)不同的土體切削狀態(tài),分析了堆積區(qū)土體對(duì)破壞區(qū)土體的作用和對(duì)總鉆頭負(fù)載的貢獻(xiàn),建立了月壤取芯鉆頭鉆進(jìn)松散土體的鉆進(jìn)負(fù)載模型,并開展了基于模擬月壤HIT-LS1#和試驗(yàn)鉆具HIT-2的驗(yàn)證試驗(yàn)。在月球鉆取采樣器的設(shè)計(jì)中,軟袋取芯方式可獲得細(xì)長(zhǎng)的連續(xù)鉆取樣芯,具有較高的取芯率,并能夠保證次表層月壤樣品的層理信息。由于取芯過(guò)程中月壤顆粒運(yùn)動(dòng)復(fù)雜,尚無(wú)系統(tǒng)的方法對(duì)軟袋取芯的取樣量影響因素進(jìn)行分析。本文剖析了軟袋取芯中月壤顆粒的流動(dòng)情況,基于極限平衡理論構(gòu)建了軟袋取芯力學(xué)模型�；谠撃Ｐ吞岢隽祟A(yù)測(cè)取芯率數(shù)值計(jì)算方法,分析了鉆進(jìn)規(guī)程、月壤特性和鉆具構(gòu)型等因素對(duì)取芯率的影響。利用模擬月壤HIT-LS1#和試驗(yàn)鉆具HIT-2在模擬鉆進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)上開展了驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果和模型預(yù)測(cè)結(jié)果平均誤差小于5%。在月球鉆探取樣任務(wù)中,月壤和月巖的力學(xué)特性差異較大,探測(cè)器著陸區(qū)沿深度方向上的地質(zhì)成分存在極大的不確定性,致使月面采樣任務(wù)充滿風(fēng)險(xiǎn)。為了保證月面采樣的負(fù)載安全性并滿足樣品采取率的要求,鉆進(jìn)控制策略應(yīng)具備對(duì)復(fù)雜鉆進(jìn)環(huán)境的適應(yīng)能力,需要對(duì)鉆進(jìn)工況進(jìn)行在線辨識(shí)并能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整鉆進(jìn)動(dòng)力參數(shù)。本文分析了鉆進(jìn)模擬月壤和模擬月巖以及鉆刃接觸及侵入巖塊過(guò)程中的鉆進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)特征,提出了基于安全規(guī)程的在線辨識(shí)方法。該方法利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了在安全規(guī)程下對(duì)典型鉆進(jìn)對(duì)象的辨識(shí);利用連續(xù)小波變換實(shí)現(xiàn)了交界面的辨識(shí)。提出了基于在線辨識(shí)的自主鉆進(jìn)流程,為提高自主鉆進(jìn)的環(huán)境適應(yīng)性奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)月面鉆進(jìn)過(guò)程中交界面檢測(cè)、啟動(dòng)DPR和鉆進(jìn)對(duì)象辨識(shí)并啟動(dòng)相應(yīng)DP等3種鉆進(jìn)狀態(tài),分析了各個(gè)鉆進(jìn)狀態(tài)下合理的鉆進(jìn)規(guī)程,提出基于有限狀態(tài)機(jī)的多狀態(tài)自主鉆進(jìn)控制方法。研制了鉆進(jìn)取芯試驗(yàn)系統(tǒng),利用模擬月壤、模擬月巖構(gòu)建的多層鉆進(jìn)模擬環(huán)境和試驗(yàn)鉆具開展了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明多狀態(tài)自主鉆進(jìn)控制方法能檢測(cè)鉆進(jìn)狀態(tài)的改變,并實(shí)時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù),具備適應(yīng)不同的鉆進(jìn)負(fù)載和振動(dòng)干擾的能力,為地外無(wú)人自主鉆探提供了解決途徑。
【關(guān)鍵詞】：月壤特性 鉆進(jìn)負(fù)載 取芯特性 鉆進(jìn)策略 地面驗(yàn)證
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V476.3
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 緒論15-30
• 1.1 課題背景15-16
• 1.1.1 課題來(lái)源15
• 1.1.2 研究目的及意義15-16
• 1.2 國(guó)內(nèi)外星球鉆取采樣器及無(wú)人自主鉆進(jìn)發(fā)展現(xiàn)狀16-29
• 1.2.1 國(guó)外星球鉆取采樣器發(fā)展現(xiàn)狀16-20
• 1.2.2 國(guó)外星球探測(cè)鉆進(jìn)特性研究發(fā)展現(xiàn)狀20-25
• 1.2.3 國(guó)內(nèi)星球鉆取采樣器發(fā)展現(xiàn)狀25-27
• 1.2.4 國(guó)內(nèi)星球探測(cè)鉆進(jìn)特性研究發(fā)展現(xiàn)狀27-28
• 1.2.5 分析與啟示28-29
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容29-30
• 第2章 次表層模擬月壤機(jī)械物理特性研究30-49
• 2.1 引言30
• 2.2 月壤力學(xué)特性30-32
• 2.3 模擬月壤的機(jī)械特性32-34
• 2.3.1 模擬月壤的顆粒形態(tài)32
• 2.3.2 模擬月壤的壓縮性32-33
• 2.3.3 模擬月壤的抗剪強(qiáng)度33-34
• 2.4 次表層模擬月壤制備及機(jī)械特性影響因素分析34-40
• 2.4.1 重力條件對(duì)模擬月壤半空間的影響35-36
• 2.4.2 模擬月壤的傾倒過(guò)程36-39
• 2.4.3 圓柱形容器的邊界效應(yīng)39-40
• 2.5 次表層模擬月壤機(jī)械特性測(cè)試40-48
• 2.5.1 原位測(cè)試40-41
• 2.5.2 次表層模擬月壤的DMT測(cè)試41-42
• 2.5.3 根據(jù)DMT方法經(jīng)驗(yàn)公式的數(shù)據(jù)處理42-45
• 2.5.4 基于DMT的復(fù)合測(cè)試方法45-48
• 2.6 本章小結(jié)48-49
• 第3章 模擬月壤鉆進(jìn)負(fù)載力學(xué)建模及試驗(yàn)驗(yàn)證49-67
• 3.1 引言49
• 3.2 月面鉆進(jìn)的地面試驗(yàn)手段與分析49-51
• 3.2.1 月壤機(jī)械物理特性與模擬月壤49-50
• 3.2.2 模擬月壤鉆進(jìn)取芯試驗(yàn)鉆具50-51
• 3.3 基于被動(dòng)土壓力的切削負(fù)載分析51-53
• 3.4 鉆具與月壤相互作用力學(xué)模型53-63
• 3.4.1 刀前堆積與鉆頭阻塞53-58
• 3.4.2 破壞區(qū)土體產(chǎn)生的負(fù)載58-61
• 3.4.3 輔助鉆套處的附加扭矩61-63
• 3.5 鉆具與月壤作用負(fù)載數(shù)值計(jì)算63-64
• 3.6 鉆進(jìn)負(fù)載模型的試驗(yàn)驗(yàn)證64-65
• 3.7 本章小結(jié)65-67
• 第4章 模擬月壤取芯力學(xué)建模及影響因素分析67-82
• 4.1 引言67-68
• 4.2 軟袋式鉆進(jìn)取樣原理68
• 4.3 軟袋取芯動(dòng)力學(xué)建模68-76
• 4.3.1 取芯軟袋內(nèi)的土體I靜力學(xué)模型69-72
• 4.3.2 取芯鉆頭內(nèi)孔中土體II動(dòng)力學(xué)模型72-75
• 4.3.3 鉆具外土體III的排屑應(yīng)力關(guān)系75-76
• 4.4 鉆進(jìn)取芯數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證76-79
• 4.4.1 取樣量的估計(jì)算法76-77
• 4.4.2 鉆進(jìn)取芯試驗(yàn)驗(yàn)證77-79
• 4.5 月壤特性、鉆具構(gòu)型和鉆進(jìn)規(guī)程對(duì)取芯率的影響分析79-81
• 4.5.1 月壤特性與取芯率關(guān)系79
• 4.5.2 鉆具構(gòu)型對(duì)取芯的影響79-81
• 4.5.3 鉆進(jìn)規(guī)程對(duì)取芯的影響81
• 4.6 本章小結(jié)81-82
• 第5章 基于鉆進(jìn)特征提取的鉆進(jìn)對(duì)象辨識(shí)方法研究82-98
• 5.1 引言82
• 5.2 月球風(fēng)化層的構(gòu)成82-83
• 5.3 典型工況的鉆進(jìn)特征83-88
• 5.3.1 模擬月壤的鉆進(jìn)特征分析83-85
• 5.3.2 模擬月巖的鉆進(jìn)特征分析85-86
• 5.3.3 典型工況的鉆進(jìn)特征識(shí)別86-88
• 5.4 模擬月壤-模擬月巖交界面的識(shí)別88-97
• 5.4.1 交界面的鉆進(jìn)特征分析88-90
• 5.4.2 交界面的特征辨識(shí)90-97
• 5.5 在線辨識(shí)自主鉆進(jìn)流程97
• 5.6 本章小結(jié)97-98
• 第6章 無(wú)人自主鉆進(jìn)策略及試驗(yàn)驗(yàn)證98-114
• 6.1 引言98
• 6.2 月面鉆進(jìn)的多工況及鉆進(jìn)規(guī)程98-100
• 6.2.1 月壤鉆進(jìn)工況與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)規(guī)程98
• 6.2.2 月巖鉆進(jìn)工況與回轉(zhuǎn)-沖擊鉆進(jìn)規(guī)程98-99
• 6.2.3 交界面鉆進(jìn)工況與安全鉆進(jìn)規(guī)程99-100
• 6.3 多工況帶來(lái)的問(wèn)題100-102
• 6.4 有限狀態(tài)的控制方法102-109
• 6.4.1 多狀態(tài)自主鉆進(jìn)的控制原理102
• 6.4.2 有限狀態(tài)鉆進(jìn)的實(shí)現(xiàn)102-109
• 6.5 無(wú)人自主鉆進(jìn)驗(yàn)證試驗(yàn)109-112
• 6.6 本章小結(jié)112-114
• 結(jié)論114-116
• 參考文獻(xiàn)116-124
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果124-127
• 致謝127-128
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷128

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6 劉天喜;淺層月壤采樣過(guò)程的機(jī)土耦合作用研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

7 蔣祝金;著陸器足墊與月壤相互作用研究[D];浙江大學(xué);2013年

8 李晟誠(chéng);月壤鉆探取心鉆進(jìn)規(guī)程研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

9 喬飛;月壤取芯組件特性分析及試驗(yàn)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

10 李亮亮;月壤鉆探取芯特性評(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

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本文編號(hào)：754255