本文關鍵詞：月球鉆取式采樣機構參數(shù)優(yōu)化及可靠性分析

  更多相關文章： 鉆取采樣機構 結構參數(shù) 鉆芯取樣 月壤 優(yōu)化 可靠性

【摘要】：本文以我國探月三期工程鉆取采樣為背景,在充分分析了國內外月球鉆取采樣機構研究現(xiàn)狀的基礎上,開展了月球鉆取式自動采樣機構參數(shù)優(yōu)化及可靠性分析。首先,針對月球鉆取式自動采樣機構空心外螺旋鉆桿取樣過程,分別建立了月壤內聚力和月壤內摩擦系數(shù)隨月壤深度變化的數(shù)學模型,建立了鉆進過程中鉆桿運動參數(shù)與鉆桿結構參數(shù)之間的關系。建模過程考慮了月壤物理和機械特性隨鉆進深度變化特性、鉆桿鉆進牽連速度及月壤微元相互間的抗剪性,解決了過去其他模型帶來的計算誤差大的問題。對模型進行了驗證,利用該模型開展了鉆桿結構參數(shù)對運動參數(shù)的影響分析,給出了鉆桿結構參數(shù)對鉆桿運動參數(shù)的影響規(guī)律,獲得了鉆桿結構參數(shù)的最佳取值范圍。鉆桿結構參數(shù)的優(yōu)化,使得優(yōu)化后的鉆桿轉速與轉進速度比降低了13.8%。該優(yōu)化結果降低了鉆探過程中的卡鉆風險和系統(tǒng)能耗,提高了鉆取采樣輸月壤效率。其次,基于對螺旋鉆桿的輸出月壤原理及輸出月壤阻力(阻力矩)的分析,綜合考慮了螺旋槽內月壤對鉆桿驅動力矩的影響、螺旋升角的取值范圍和鉆桿的軸向鉆進功率,建立了鉆桿驅動力矩、軸向加載力及功耗的模型,利用該模型分析了鉆桿外徑、螺旋槽深、槽寬比及螺旋升角等結構參數(shù)均與鉆桿驅動力矩和軸向加載力的影響,獲得了鉆桿結構參數(shù)對鉆桿驅動力矩和軸向加載力的影響規(guī)律。以鉆桿質量和功耗最小為雙優(yōu)化目標,以鉆桿外徑、螺旋槽深、槽寬比及螺旋升角等結構參數(shù)為設計變量,基于遺傳算法對鉆桿結構參數(shù)進行了優(yōu)化,優(yōu)化后的功耗較優(yōu)化前的功耗降低了31.8%,鉆桿質量減小了23.3%。減少了鉆探風險,可為鉆取式自動采樣機構的設計提供理論依據(jù)�；趯β菪@頭的輸出月壤阻力、驅動力矩及月壤失效區(qū)的分析,建立了鉆頭的力學模型,該模型綜合考慮切削具外側面與月壤之間的壓力及摩擦力,考慮月壤側向失效面的面載荷對鉆頭切削具周向力矩、總功耗及月壤失效距離的影響,數(shù)值仿真與試驗結果驗證了模型的正確性(最大誤差小于10.63%)。在數(shù)值仿真過程中采用深層月壤本構關系的Mohr-Coulomb模型,使仿真更加符合月壤內摩擦角大于22°的真實情況。利用該模型分析并獲得了鉆頭結構參數(shù)對切削具功耗和失效距離的影響規(guī)律,以鉆頭功耗最小為優(yōu)化目標,用遺傳算法對鉆頭結構參數(shù)進行了優(yōu)化,優(yōu)化后的功耗較優(yōu)化前的功耗降低了34.8%。該優(yōu)化結果降低了鉆探過程中的燒鉆風險和系統(tǒng)功耗�？蔀殂@取式自動采樣機構的鉆頭設計提供理論依據(jù)。然后,本文提出了一種巖土機械特性和物理特性隨深度變化的分層建模方法,利用該方法建立了更加接近月壤真實情況的巖土本構關系。模擬鉆取式采樣機構鉆進月壤的運動過程,分別分析了鉆取式自動采樣機構鉆進月壤阻力和鉆進周向驅動力矩與鉆進深度的關系,并均與理論數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)進行了對比,驗證模型的正確性。為試驗鉆取式自動采樣機構的修正和設計提供了有利的依據(jù)。最后,建立鉆取式自動機構的故障樹模型,開展了故障樹分析,給出了導致鉆取采樣失敗的一階最小割集清單,為鉆取式自動采樣機構的可靠性設計提供了指導。
【關鍵詞】：鉆取采樣機構 結構參數(shù) 鉆芯取樣 月壤 優(yōu)化 可靠性
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V476.3
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 緒論13-31
• 1.1 選題的背景和意義13
• 1.2 國內外深空探測自動采樣機構研究現(xiàn)狀13-25
• 1.2.1 內外同心外動內靜式單桿鉆取式自動采樣機構14-18
• 1.2.2 內外同心外動內靜式多桿鉆取式自動采樣機構18-21
• 1.2.3 超聲波鉆取式自動采樣機構21-22
• 1.2.4 仿生樹蜂鉆取式自動采樣機構22-23
• 1.2.5 鉆取式自動采樣機構的綜合比較23-24
• 1.2.6 月球鉆取式自動采樣機構的發(fā)展趨勢24-25
• 1.3 模擬月壤的研究現(xiàn)狀25-26
• 1.4 鉆取式自動采樣機構參數(shù)分析的現(xiàn)狀及存在的問題26-28
• 1.5 論文的研究內容、目標及技術路線28-31
• 第2章 鉆桿的結構與運動參數(shù)分析31-47
• 2.1 月壤機械與物理特性31-33
• 2.1.1 物理特性31-32
• 2.1.2 機械特性32-33
• 2.2 空心螺旋鉆桿與月壤相互作用力學模型33-38
• 2.2.1 基本假設33-34
• 2.2.2 月壤微元塊運動參數(shù)的解析模型34-37
• 2.2.3 鉆桿運動參數(shù)與月壤微元塊絕對角速度的關系37-38
• 2.3 月壤內聚力、月壤內摩擦系數(shù)隨著月壤深度變化的關系38-39
• 2.4 試驗驗證39-40
• 2.5 鉆桿結構參數(shù)對運動參數(shù)的影響分析40-44
• 2.6 基于以轉速和鉆進速度比最小的鉆桿結構參數(shù)優(yōu)化44-45
• 2.7 本章小結45-47
• 第3章 螺旋鉆桿結構參數(shù)的多目標優(yōu)化47-58
• 3.1 力學模型的建立47-50
• 3.2 力學模型的驗證50-51
• 3.3 鉆桿結構參數(shù)對鉆桿驅動力矩和軸向加載力的影響分析51-55
• 3.4 基于以質量最小和功耗最小的鉆桿結構參數(shù)優(yōu)化計55-56
• 3.5 本章小結56-58
• 第4章 鉆頭結構參數(shù)對力學性能的影響58-76
• 4.1 鉆頭結構及其參數(shù)58-59
• 4.2 鉆頭力學模型的建立59-68
• 4.2.1 刃尖角許用公式60-63
• 4.2.2 鉆頭切削力公式63-67
• 4.2.3 鉆頭周向扭矩、功耗公式67-68
• 4.3 鉆頭鉆進過程的仿真分析及試驗驗證68-70
• 4.3.1 仿真分析68-69
• 4.3.2 試驗驗證69-70
• 4.4 鉆頭結構參數(shù)對切削具力學性能的影響分析70-73
• 4.5 切削具結構參數(shù)的優(yōu)化設計73-74
• 4.6 本章小結74-76
• 第5章 鉆進過程動態(tài)模擬仿真及驗證76-95
• 5.1 仿真分析軟件的選擇77-78
• 5.2 MOHR-COULOMB塑性模型78-83
• 5.3 仿真模型的建立83-85
• 5.4 材料屬性、接觸及邊界條件的定義85-88
• 5.4.1 材料屬性定義85-86
• 5.4.2 月壤相關參數(shù)的確定86-87
• 5.4.3 接觸及邊界條件設置87-88
• 5.5 仿真結果的分析88-92
• 5.5.1 鉆桿和月壤應力結果分析89-90
• 5.5.2 鉆桿周向扭矩和軸向加載力分析90-91
• 5.5.3 能量曲線分析91-92
• 5.6 試驗驗證92-94
• 5.7 本章小結94-95
• 第6章 可靠性分析95-101
• 6.1 故障樹的建立95-98
• 6.2 故障樹的定性分析98-99
• 6.3 本章小結99-101
• 結論與建議101-104
• 參考文獻104-111
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單111-112
• 致謝112-113
• 作者簡介113

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本文編號：715313