基于离散元理论的月壤与钻取采样机具间作用机理研究

本项目以我国探月工程（三期）为背景，为解决月面钻取采样技术缺乏机理性基础理论支撑的问题，对月壤与钻取采样机具间作用机理开展研究。以月壤颗粒为研究对象，基于离散元理论建立月壤细观本构模型，包括基于团聚法的非球形月壤颗粒形状模型、基于软球模型和力链理论的非球形月壤颗粒间接触力学模型、基于无粘连颗粒流理论的非球形月壤颗粒流动性模型，重点解决月壤颗粒间接触模型的细观参数与月壤力学模型的宏观参数匹配等关键性机理问题。以此为基础，建立月壤颗粒与钻取采样机具间接触力学模型研究。通过月面钻取采样过程离散元仿真和模拟月壤地面钻取采样试验，对理论模型和研究方法进行验证和完善。最后，根据完善的作用机理模型，提出根据钻取采样机具力学和运动学参数反演深层月壤力学参数分布规律的方法，从而揭示月壤特性及产生机理，总结月壤与钻取采样机具间作用规律，为设计月面钻取采样机具、制定作业规程提供理论依据。

本项目以我国探月工程（三期）为背景，以月壤与钻取采样机具间作用机理为研究对象，系统研究了月壤本构特性、月壤流动特性、月壤与采样机具间力学特性、月壤力学参数反演方法等问题。按照项目预期目标圆满完成了全部工作内容。取得主要成果如下：.（1）基于团聚法建立了非球形月壤颗粒形状参数模型，该模型包括了非球形月壤颗粒的形状参数和质心参数；对已有模拟月壤的颗粒形态分布和粒径分布进行了测试，并利用EDEM建立了非球形月壤颗粒的仿真模型；在上述研究的基础上，提出了非球形月壤颗粒的等效替代法，提高了计算效率。.（2） 基于软球模型建立了非球形月壤颗粒间接触力学模型，以土力学三轴压缩实验为基础，提出了离散元与土力学的参数匹配方法；分别基于PFC3D和EDEM两个离散元仿真平台，开发了参数匹配模块；针对已有模拟月壤进行了参数匹配研究，验证了参数匹配方法的有效性，匹配结果可直接应用于钻具与月壤相互作用特性的仿真研究。.（3） 基于无粘连颗粒流理论建立了月壤颗粒流动性模型；基于该模型，分别建立了月壤在螺旋钻杆、钻头、取心机构作用下的流动特性模型，分析了钻具结构参数对月壤流动性的影响规律；进行了模拟月壤钻取采样的离散元仿真和地面模拟实验，仿真结果和试验结果均验证了模型的合理性。该模型对优化采样钻具设计、保证月壤样品的层理信息性提供了依据。.（4） 建立了月壤与采样机具间的接触力学模型，分析了月壤钻取采样过程中的钻具负载特性；分别研制了全尺寸钻取采样参数测试平台和缩比钻取采样参数测试平台,进行了模拟月壤与钻具间的作用特性试验，验证了接触力学模型的正确性，为预估月面钻取采样过程的负载特性、设计动力驱动装置提供了依据。.（5） 建立了月壤可钻性模型，建立了月面钻取采样典型工况特征模型；基于支持向量机法，建立了钻进工况在线辨识模型，并应用于月面自主钻进控制方法中；以上述模型为基础，建立了可辨识钻具所遇月壤力学特性的在线辨识模型,提出了深层月壤力学参数分布反演方法；进行了模拟月壤钻进试验，验证了在线辨识模型的正确性，验证了力学参数分布反演方法的有效性。.本项目共发表论文18篇，其中SCI源论文3篇、EI源论文14篇，申请国家发明专利2项，已授权1项。培养青年骨干教师1名、博士生4名、硕士生6名。参加国际学术会议11人次,邀请国外专家学者来华交流2人次。本项目的研究成果在我国月球探测三期工程中的分析月面采样