基于离散元理论的含临界尺度颗粒月壤钻取机具构型设计理论方法研究

In lunar exploration and sampling activity, the transportation characteristic of critical size lunar particles driven by sampling machine is complicated. Therefore, the load control and failure prediction of the sampling machine are difficult for the randomness of the migration of the critical size soil particles. In this project, a characteristic classification model and a probability distribution model describing the shape, orientation and relative position are established. Based on the constitutive model of lunar soil, a static or quasi-static model of the relationship between machine, critical size particle and lunar soil is carried out, and in addition, the discrete element method is used to simulate the transportation of the critical size lunar particle. Then, the influence of the particle characteristics, the sampling machine structure and motion parameters on the machine-soil mutual force along with the respective motion states can be obtained. It reveals the failure mechanism of sampling machine, and serve as a general theoretical model of the load and failure forecasting of lunar sampling machine, supporting its optimization design and reliability analysis.

月球探测取样活动及相关实验研究中，临界尺度月壤颗粒在采样机具作用下的运移特性复杂，是困扰采样活动实施的核心问题之一。本项目针对临界尺度月壤颗粒运移的强随机性，建立描述其形状、姿态及其与机具间位置关系的特征分类模型，统计分析各特征参量的概率分布；基于土力学本构模型的解析法对机具、颗粒与月壤三者间作用关系进行静态及准静态建模求解，应用改进的离散元法对临界尺度月壤颗粒受迫运移过程进行动态仿真研究；以此分析临界尺度颗粒特征参量及取样机具结构、运动参数对机-壤作用力及各自运动状态的影响，揭示采样机具的故障产生机理，最终完成探月取样机具负载故障预测的通用理论模型，并建立起一套机具构型设计的理论方法。

项目以我国探月工程为背景，以嫦娥五预研及工程实施阶段累积的经验为基础，面向未来月球探测及相关深空探测，针对临界尺度月壤颗粒在采样机具作用下的运移问题展开研究。项目完成的主要内容包括：1）建立了月壤临界尺度颗粒形状描述；2）建立了离散元模拟月壤土体模型；3）对临界尺度月壤颗粒受迫运移过程进行了动态仿真研究，并揭示了其影响规律；4）提出了通过负载特性反演钻进工况的方法；5）对钻具构型设计提出了设计建议；6）在项目既定研究内容的基础上，还拓展进行了含水冰月壤钻进生热的相关研究，建立了含水冰月壤的离散元仿真模型，模拟了冰结月壤的切削过程，分析了其力载及生热规律。形成的重要结果及关键数据包括：1）获得了以CUG-1A模拟月壤为对象的模拟月壤离散元细观参数标定数据及方法；2）通过追踪钻进过程中临界尺度月壤颗粒速度历程、运动轨迹、位移曲线以及钻具负载特性，得到其负载影响机制；3）基于负载特性的时域与频域特征值采用BP神经网络方法训练得到临界尺度颗粒钻取工况的预测模型。以上研究工作，可以为我国未来探月及深空探测提供以下几方面的帮助，1）提供月壤离散元模拟仿真的参数匹配经验和方法，减少试验成本，提高研究效率；2）提供了通过负载数据反演含临界尺度颗粒月壤钻进工况的技术手段，为后期钻进规程制定提供参考；3）由本课题衍生出的含水冰月壤钻进负载模拟相关研究，可以有效支撑嫦娥七月球车及飞跃器取样载荷的设计，开拓了新的研究领域。