月壤采样机构的机土热控耦合设计

本项目研究月壤采样机构与月壤间的机土热控耦合作用。采用离散元方法建立月壤模型，模拟月壤颗粒在铲挖钻取过程中的微观损伤破环、粘附及生热动态特性；并通过土槽实验验证模型的正确。对于浅层采样，研究采样机构多体动力学与月壤颗粒离散元的耦合作用理论及实现方法，建立浅层采样机械臂的动力学模型，分析铲挖过程中变载荷及变拓扑条件下的动力学特性，并采用力位混合控制完成铲挖操作。对于深层采样，还需基于能量守恒建立离散元散体颗粒摩擦生热模型，分析热传导及热载荷对钻杆的影响，完成机土热耦合作用分析；并设计深层采样钻进机构旋转及冲击操作的控制策略，分析不同月壤分布下的采样方式；同时采用统计方法描述取样样品的层理保持特性，用于衡量及改善采样机构的取样性能。通过对采样过程的机土热控耦合作用进行动态分析与仿真，能够为采样机构的结构、机构及控制的一体化优化设计提供理论依据及研究平台。

本项目建立了考虑扭转、弯曲力矩及等效引力作用的新型三维离散元月壤模型，通过三轴仿真试验进行细观参数标定，得到内聚力0.90kPa、内摩擦角42.25°的满足真实月壤宏观力学指标的仿真模型。利用离散元软件对浅层月壤铲挖过程进行了动态仿真，对月球车基体及采样机械臂系统进行动力学建模，将整个采样过程中铲斗所受的力和力矩谱加载到采样臂末端，对机械臂末端变负载情况应用操作空间控制，使机械臂按照预定轨迹运动，完成了浅层月壤采样过程的机土耦合作用分析，仿真结果表明该控制方法可以对机械臂末端轨迹进行高精度跟踪，并且控制力矩处于理想范围内，实现月壤采样过程的力位混合控制。针对振动减阻在浅表层月壤采样过程中的适用性进行了研究，在铲挖过程中向采样器施加不同振幅和频率的振动，计算并量化了铲挖过程中不同振动参数的载荷与月壤采样阻力的关系。通过对比不同振动工况下月壤局部孔隙率，验证了月壤的振动减阻机理，最终证实了振动减阻技术适用于浅表层月壤采样。针对月壤内层存在大颗粒情况设计四种采样工况分别进行仿真分析，监测大颗粒运动轨迹与采样效率，发现了“旋入效应”、“纵向运移效应”与“阻塞效应”，仿真结果表明岩块粒径大小直接影响采样结果：当岩块粒径小于钻头“虚拟切削圆”时，其无论存在于任何位置对采样效率与后续样品缠绕收集均无明显影响；当岩块粒径大于“虚拟切削圆”时，阻塞现象严重，样品收集困难，极易导致采样失败。建立了月壤钻取解析模型，分析了钻进规程参数与钻具结构参数和月壤参数之间的关系，研究结论对月壤钻取采样控制设计与钻具结构设计具有重要的工程参考价值。