我國(guó)探月三期工程采用回轉(zhuǎn)沖擊鉆對(duì)月表月壤進(jìn)行預(yù)計(jì)深度為2米的采樣作業(yè),采樣過(guò)程中鉆頭由于鉆削產(chǎn)生的切削熱完全由鉆具本身導(dǎo)熱傳遞。由于月球的超高真空度以及苛刻的溫度環(huán)境,導(dǎo)熱效率相較于地面鉆探低。同時(shí),由于鉆進(jìn)工況的未知性,鉆具可能會(huì)形成局部高溫區(qū)域,這會(huì)使鉆具的整體性能降低,尤其對(duì)鉆具的取心性能影響最大。通過(guò)EDEM軟件,建立不同形狀及顆粒大小的月壤顆粒微元模型,組成月壤仿真模型,基于高溫小顆粒群法,開(kāi)展鉆進(jìn)過(guò)程月壤熱特性仿真研究,研究溫升顆粒的分布規(guī)律,并根據(jù)這一分布規(guī)律建立溫升顆粒數(shù)量與溫升之間的關(guān)系式。另外,在模擬月壤鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)中,在原有的取芯鉆具上補(bǔ)充若干溫度測(cè)量點(diǎn),通過(guò)光纖光柵傳感技術(shù),開(kāi)展鉆具熱特性實(shí)驗(yàn)研究,獲得了鉆頭不同位置區(qū)域的溫升規(guī)律,以及回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率對(duì)鉆具溫度的影響規(guī)律。溫升顆粒數(shù)量模型以及常規(guī)熱特性實(shí)驗(yàn)均能實(shí)現(xiàn)鉆具溫升情況的預(yù)測(cè),為后續(xù)鉆具在擬實(shí)月球環(huán)境及惡劣工況下的熱安全性研究提供依據(jù)。 

【文章來(lái)源】：工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào). 2019,26(01)北大核心CSCD

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【部分圖文】：

圖１月壤顆粒微元模型Ｆｉｇ．１Ｍｉｃｒｏｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｌｕｎａｒｓｏｉｌｐａｒｔｉｃｌｅ

動(dòng)摩擦系數(shù)０．２７上，且始終離鉆頭一定距離。在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過(guò)程中，該粘合面只會(huì)對(duì)高溫小顆粒起粘貼作用，而不會(huì)與模擬月壤顆粒發(fā)生作用。當(dāng)模擬月壤顆粒經(jīng)過(guò)該平面時(shí)，二者相互熱傳導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。該方法由于熱源位于鉆具末端且可控，理論上能很好地反映模擬月壤顆粒受熱后的溫升現(xiàn)象�；谠摲治龇椒ǎY(jié)合實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆進(jìn)參數(shù)，本研究采用ＥＤＥＭ軟件進(jìn)行月壤鉆進(jìn)仿真分析。表３所示為月壤鉆進(jìn)仿真分析的參數(shù)設(shè)置情況［１９］，圖２為仿真結(jié)果。在鉆進(jìn)過(guò)程中，高溫小顆粒群高速回轉(zhuǎn)，表層月壤顆粒與實(shí)際鉆進(jìn)狀況相似，產(chǎn)生飛濺運(yùn)動(dòng)。在仿真過(guò)程中，若月壤顆粒長(zhǎng)時(shí)間與熱顆粒接觸，會(huì)導(dǎo)致月壤顆粒溫升過(guò)高。這與實(shí)際鉆進(jìn)狀況不符，但是這對(duì)高溫顆粒的散熱求解幾乎沒(méi)有影響。根據(jù)圖２的離散元仿真結(jié)果可知，處于鉆具外側(cè)的顆粒溫度較低，無(wú)法通過(guò)仿真手段體現(xiàn)鉆具側(cè)壁與月壤顆粒切削、摩擦產(chǎn)生的熱量，這是由高溫顆粒集中在鉆頭下方的粘合面附近所造成的。表３月壤鉆進(jìn)仿真分析的參數(shù)設(shè)置Ｔａｂｌｅ３Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｔｔｉｎｇｏｆｌｕｎａｒｓｏｉｌｄｒｉｌｌｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌ－ｙｓｉｓ參數(shù)數(shù)值冷顆粒初始溫度／Ｋ３５０熱顆粒初始溫度／Ｋ１２５０熱顆粒數(shù)量／個(gè)１４０冷顆粒數(shù)量／個(gè)２４００進(jìn)尺速率／（ｍｍ／ｓ）５回轉(zhuǎn)速度／（ｒ／ｍｉｎ）２００顆粒比熱容／（Ｊ／（ｋｇ·Ｋ））８００顆粒導(dǎo)熱系數(shù)／（Ｗ／（ｍ·Ｋ））１４５０圖２基于ＥＤＥＭ軟

圖３基于高溫小顆粒群法得到的溫升為１～２１Ｋ的顆粒分布圖Ｆｉｇ．３Ｐａｒｔｉｃｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅｏｆ１～２１Ｋｂａｓｅｄｏｎｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｍａｌｌｐａｒｔｉｃｌｅｃｌｕｓｔｅｒｍｅｔｈｏｄ圖４月壤顆粒數(shù)量與溫升之間的擬合曲線Ｆｉｇ．４Ｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅｏｆｌｕｎａｒｓｏｉｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｎｕｍｂｅｒａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅ的作用下，會(huì)被收集到取芯軟袋中或者被轉(zhuǎn)移到鉆桿螺旋槽內(nèi)，不會(huì)被持續(xù)加熱。仿真中一些顆粒存在較大的溫升現(xiàn)象，這與某些惡劣鉆進(jìn)工況下的切削熱現(xiàn)象接近。仿真分析結(jié)果及溫升顆粒數(shù)量模型為后續(xù)的鉆具熱特性實(shí)驗(yàn)提供了一定的基礎(chǔ)。２模擬月壤鉆進(jìn)過(guò)程鉆具熱特性實(shí)驗(yàn)與常規(guī)的鉆取采樣實(shí)驗(yàn)不同，鉆具熱特性實(shí)驗(yàn)需要采集鉆具的溫度信息�；诔Ｒ�(guī)取芯鉆具構(gòu)型，在鉆頭不同部位選擇溫度測(cè)量點(diǎn)，最終選取了鉆頭端面的７個(gè)測(cè)量點(diǎn)，并在測(cè)量點(diǎn)７處補(bǔ)充了若干測(cè)點(diǎn)，如圖５所示。圖５鉆頭端面溫度測(cè)量點(diǎn)分布Ｆｉｇ．５Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｏｉｎｔｓｏｆｄｒｉｌｌｂｉｔｅｎｄｓｕｒｆａｃｅ隨后，在分布式測(cè)量點(diǎn)處布置光纖光柵溫度傳感器。首先在選點(diǎn)處開(kāi)孔，從圖５可以看出測(cè)量點(diǎn)７沿鉆桿的外壁均布，同時(shí)將均勻周期的光纖光柵封裝為管狀。在測(cè)量點(diǎn)１，２，…，６中，依次插入封裝好的溫度傳感器，并采用耐高溫膠進(jìn)行固定。針對(duì)溫度測(cè)量點(diǎn)７，將封裝在毛細(xì)管中的４根串接光柵插入其

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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本文編號(hào)：3423410