本文關(guān)鍵詞： 月面采樣 鉆取 回轉(zhuǎn)沖擊 應力波　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2013年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：我國月面鉆取采樣任務中，采樣鉆具的鉆取能力直接決定了采樣任務的完成情況。由于月壤中存在不同粒徑、不同硬度等級的月巖，因此鉆具對月巖的破碎能力是鉆取能力的主要評價指標。為提高采樣鉆具對巖石的破碎能力，需要采用回轉(zhuǎn)沖擊鉆進的方式。故本文以回轉(zhuǎn)沖擊作用下巖石破碎機理、沖擊動力的產(chǎn)生及優(yōu)化為主線，開展了沖擊系統(tǒng)的理論分析、仿真模擬和試驗研究。 基于脆性巖石的拉伸破碎準則，在充分考慮鉆具構(gòu)型參數(shù)的基礎上，建立了回轉(zhuǎn)切削作用下鉆具與巖石相互作用力學模型，獲得侵入深度、鉆壓力等參數(shù)對水平切削力的影響，并對理論模型開展了試驗驗證；建立了鉆具沖擊作用下巖石破碎的動力學模型，獲得沖擊力函數(shù)對沖擊深度的影響關(guān)系。針對典型的脈沖沖擊力函數(shù)，開展了沖擊碎巖數(shù)值模擬，驗證了模型的正確性。 針對鉆具驅(qū)動裝置沖擊機構(gòu)，建立了沖擊過程動力學模型，獲得雙圓柱形激振塊幾何構(gòu)型與產(chǎn)生應力波波形函數(shù)之間的關(guān)系；基于沖擊能量傳遞效率最大的原則，優(yōu)化沖擊應力波波形，獲得沖擊鑿巖過程中沖擊能量最大傳遞效率及其影響因素；基于優(yōu)化應力波波形，結(jié)合沖擊機構(gòu)動力學模型，優(yōu)化激振塊構(gòu)型；應用顯式動力學分析軟件LS-DYNA開展沖擊過程仿真分析，對比優(yōu)化前后激振塊的沖擊效果，證明了優(yōu)化分析的可行性；開展回轉(zhuǎn)沖擊破碎巖石過程數(shù)值模擬，獲得特定輸入?yún)?shù)下巖石的應力分布和鉆頭侵深曲線，為更深入的參數(shù)仿真優(yōu)化研究打下基礎。 本文通過試驗研究了沖擊功、沖擊頻率和鉆壓力等宏觀參數(shù)對鉆進效果的影響；分別開展了恒力鉆進和恒速鉆進模式下，單一參數(shù)變化對進尺深度和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的影響規(guī)律，并進一步分析了多參數(shù)耦合時的影響規(guī)律，，從而為月面采樣鉆具回轉(zhuǎn)沖擊參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。 通過理論分析、數(shù)值模擬以及試驗驗證，本文獲得了沖擊參數(shù)對巖石破碎效果的影響規(guī)律，為月面采樣鉆具設計與優(yōu)化提供了理論支持，同時也為我國月面采樣任務的順利完成奠定了基礎。
[Abstract]:In the lunar drilling sampling task in China, the drilling ability of the sampling drilling tool directly determines the completion of the sampling task. Because of the different particle size and different hardness of lunar soil, the lunar rock is of different hardness. Therefore, the breaking capacity of drilling tools to moon rock is the main evaluation index of drilling ability. It is necessary to adopt the method of rotary percussive drilling. Therefore, the theoretical analysis, simulation and experimental study of the impact system are carried out on the basis of the mechanism of rock breakage and the generation and optimization of impact force under the action of rotary impact. Based on the tensile breakage criterion of brittle rock and considering the parameters of drilling tool configuration, a mechanical model of the interaction between drilling tool and rock under the action of rotary cutting is established, and the depth of invasion is obtained. The influence of drilling pressure and other parameters on the horizontal cutting force is tested and verified. The dynamic model of rock fragmentation under the impact of drilling tools is established, and the relationship between the impact function and the impact depth is obtained. According to the typical impulse impact force function, the numerical simulation of rock crashing is carried out. The correctness of the model is verified. The dynamic model of the impact process is established for the impact mechanism of the drill tool drive device. The relationship between the geometric configuration of the double cylindrical vibration stimulator and the waveform function of the stress wave is obtained. Based on the principle of maximum energy transfer efficiency, the wave form of shock stress wave is optimized, and the maximum transmission efficiency of impact energy and its influencing factors are obtained. Based on the optimized stress wave waveform and the dynamic model of the shock mechanism, the configuration of the exciting block is optimized. The impact process simulation analysis is carried out by using explicit dynamic analysis software LS-DYNA. The impact effect of the exciting block before and after optimization is compared and the feasibility of the optimization analysis is proved. The numerical simulation of rock breakage process with rotary impact is carried out to obtain the stress distribution of rock and the penetration curve of bit under certain input parameters, which lays the foundation for further research on parameter simulation optimization. In this paper, the influence of macro parameters, such as impact power, impact frequency and drilling pressure, on drilling effect is studied through experiments. Under constant force drilling and constant speed drilling mode, the influence law of single parameter change on the depth and torque of rotary is developed, and the influence law of multi-parameter coupling is further analyzed. Therefore, it provides the basis for the optimization of rotary impact parameters of lunar surface sampling drilling tools. Through theoretical analysis, numerical simulation and experimental verification, the influence of impact parameters on rock fracture effect is obtained, which provides theoretical support for the design and optimization of lunar surface sampling drilling tools. At the same time, it lays a foundation for the successful completion of the lunar surface sampling task in China.
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：P184;P634

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