基于离散元理论的月尘颗粒与空间运动副相互作用机理研究

With the background of china’s lunar exploration, this project is aiming at the problem of dust contamination on lunar detectors resulting in wearing and sticking of space motion pair.and some research on the interaction mechanism between lunar dust particle and space motion pair is brought out. A constitutive model of lunar dust particles, which are micron sized, cusp-like shaped, and covered with static electricity,is established based on DEM theory. This model includes shape model, size model and contact force model of lunar dust particles.Then a behavior model of lunar dust particle group is established, which can be used for unite and break behavior of lunar dust particle group.And some study on interaction between lunar dust particle group and motion pair is carried out, and contact force model between them is established to analysis wearing and sticking effect.According to high-low temperature, vacuum and low gravity enviorment, the influence on the interaction mechanism by enviorment fact is studied by the means of theory, simulation and experiment.Finally a experiment of interaction between lunar dust particles and motion pairs under comprehensive lunar enviorments is carried out. And the correctness of the interaction mechanism model is validated. And theorical fundation will be brought for stability and long-life of space motion pairs.

本项目以我国月球探测工程为背景，为解决月面探测器受月尘污染而产生运动副磨损和卡死等问题，对月尘颗粒与空间运动副相互作用机理开展研究。针对月尘颗粒的微米级粒径、尖角状颗粒形态、表面带静电等特征，基于离散元理论建立月尘颗粒细观本构模型，该模型包括月尘颗粒形状模型、月尘粒径分布模型、月尘颗粒间接触力学模型等。在此基础上，建立月尘颗粒团行为机理模型，分析月尘颗粒团聚行为和颗粒团破碎机理等。之后，开展月尘颗粒团与运动副间作用特性研究，建立月尘颗粒团与运动副接触力学模型，分析月尘颗粒团对运动副的磨损和卡死效应。结合月面高低温、高真空、低重力等环境特点，通过理论、仿真、试验等手段分析单环境因素对月尘颗粒与运动副间作用机理的影响规律。最后，利用现有设备综合模拟月面环境，进行月尘颗粒与运动副间作用特性试验，验证机理模型的正确性。为实现空间运动副在月面月尘环境下的稳定可靠功能和长寿命服役目标奠定理论基础。

本项目以我国月球探测工程为背景，以月尘颗粒与空间运动副间相互作用机理为研究对象，系统研究了微米级不规则形状颗粒在空间环境下的本构模型和行为机理等问题。已按照项目预期目标圆满完成了全部工作内容。取得了主要研究成果如下：.1）建立了不规则形状月尘颗粒细观本构模型，该模型包括基于分形理论的月尘颗粒不规则形状模型及其接触状态模型、基于G-S模型的月尘颗粒粒径分布模型以及基于DMT模型的月尘颗粒非线性接触力学等效模型，进而揭示了微米级粒径对颗粒类物质的行为机理影响机制；.2）建立了月尘颗粒团行为机理模型，该模型包括月尘颗粒团聚模型、基于破碎理论的月尘颗粒团破碎模型、基于离散元理论的月尘颗粒团动力学特性模型以及月尘颗粒团行为模型，进而揭示了不规则颗粒形态对颗粒类物质的行为机理影响机制；.3）建立了月尘颗粒团与运动副间作用机理模型，该模型包括基于JKR模型的月尘颗粒团与运动副间接触力学模型、基于摩擦学理论的月尘颗粒团对运动副间磨损机理模型、卡死机理模型以及时间序列模型，进而揭示了不规则颗粒形态和微米级颗粒粒径对颗粒类物质与物质作用特性的影响机制；.4）建立了月面环境对月尘颗粒团与空间运动副作用机理的单因素影响机制模型，分析了高低温环境、真空环境、低重力环境对月尘颗粒团与空间运动副作用机理的影响规律，进而揭示了空间环境对微米级粒径颗粒的行为机理及其与物质间作用特性的影响机制；.5）设计并搭建了月面综合环境模拟试验系统，开展了月面综合环境下月尘与运动副作用机理试验，并进行了系统误差分析与修正。项目团队在国内首次实现了真空环境下粉尘类物质行为机理的试验研究。.本项目共发表论文26篇，其中SCI源论文14篇（JCR一区3篇）、EI源（含SCI双检）论文20篇，出版学术专著1部，申请国家发明专利3项（已授权1项），申请软件著作权1项（已授权）。培养青年骨干教师3名、博士生5名（毕业2人，在国内高校任教）、硕士生9名。参加国际学术会议11人次,邀请国外专家学者来华交流4人次，举办月尘污染与防护技术专题研讨会1次。各项指标均完成了预期研究成果。本项目研究成果为我国月球探测二期工程CE-4月面巡视器、三期工程CE-5月面采样机构、四期工程CE-7月面潜入仪等型号任务中的月尘/月壤与月面探测机构间作用特性研究提供了基础理论和技术支撑。