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1、2014年12月農(nóng)業(yè)機械學報第45卷第12期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．12．051*月壤鉆采取樣方式對樣品層理的影響劉天喜魏承馬亮趙陽(哈爾濱工業(yè)大學航天學院，哈爾濱150001)摘要:針對月壤鉆采任務，基于離散元月壤模型，分析了硬質(zhì)管取芯與軟袋取芯2種取樣方式的層理保持特性，提出了曲面斜率法描述月壤樣品的層理信息。該方法能夠通過擬合曲面直觀反映隨鉆深分布的各層月壤樣品變形情況，并能夠定量描述各層樣品輕微擾動部分與層理破壞部分的分界范圍，以及層理破壞趨勢與程度。分析結果表明:取樣袋能
2、顯著保護樣品的層理信息，而硬質(zhì)管取芯對外側(cè)月壤樣品層理破壞嚴重，且破壞層數(shù)較多，但層理破壞較輕微的樣品直徑范圍與有取樣袋工況差別不大。此外，2種工況下，表層月壤樣品層理信息均破壞嚴重，說明了表層月壤具有較強的隨動性。關鍵詞:月壤鉆取采樣三維離散元模型硬質(zhì)管取芯軟袋取芯層理保持特性中圖分類號:V447.1文獻標識碼:A文章編號:1000-1298(2014)12-0355-07引言1月壤三維離散元模型［1］月壤鉆取采樣是我國探月三期工程的重要離散元法的關鍵問題在于模型精準度，即通過任務，取樣方式的設計及樣品層理信息保持程度是建
3、立合適的顆粒接觸模型來描述土壤的本構關系，影響任務質(zhì)量的關鍵因素。以美國和前蘇聯(lián)的經(jīng)真實地反映目標土壤的宏觀性質(zhì)。而月壤由于其特驗，硬質(zhì)管取芯和軟袋取芯2種方式各有利弊，而其殊的空間環(huán)境與形成過程，具有高內(nèi)摩擦角、低內(nèi)聚［17］對樣品層理的保持特性則是評價關鍵。由于地面試力的復雜力學性質(zhì)，普通離散元本構關系很難做［2－5］驗難以窺探土壤內(nèi)部形態(tài)，因此離散元等數(shù)學到精確建模，因此本文采用一種考慮扭轉(zhuǎn)、彎曲力矩仿真方法成為該領域的重要研究手段。及等效引力作用的三維離散元模型。鄒猛等利用pfc2d軟件研究了月壤力學性質(zhì)對1.1顆粒
4、接觸碰撞模型［6－7］月球車牽引性能的影響，蔣明鏡等以改進的離月壤三維離散元模型本構關系如圖1所示。［8－10］散元模型研究了月壤雙軸剪切破壞，但以上模［11］型多為二維模型，較適用于邊坡穩(wěn)定、抗壓承載、［12］剪切試驗等宏觀整體變形工況的仿真分析，對于月壤鉆取等涉及顆粒間大范圍空間交錯運移的情［13－14］況，難免受限。層理保持特性研究方面少有學［15］［16］者研究，僅趙德明、崔金生等進行了一些探索性研究，但提出的層理描述方法比較簡單，無法細致、量化地描述層理變化形式和程度。本文基于月壤離散元模型對硬質(zhì)管取芯和軟袋取芯2
5、種月壤鉆采取樣方式進行仿真設計，提出適合描述樣品層理信息的曲面斜率法，量化描述2種取樣方式下月壤樣品層理信息的破壞情況，分析2圖1顆粒接觸碰撞三維模型種取樣方式的層理保持特性。Fig．1Three-dimensionalmodelofparticlescollision收稿日期:2014-08-03修回日期:2014-08-27*國家自然科學基金資助項目(51105100)、教育部博士點基金資助項目(20112302120007)、中國博士后科學基金資助項目(20110491050)和國家重點實驗室開放基金資助項目(HIT．
6、KLOF．2011．075)作者簡介:劉天喜，博士生，主要從事月壤采樣動力學與控制研究，E-mail:liutianxi@hit．edu．cn通訊作者:魏承，講師，博士，主要從事多體系統(tǒng)動力學與控制研究，E-mail:weicheng@hit．edu．cn356農(nóng)業(yè)機械學報2014年圖1中，i、j代表發(fā)生接觸碰撞的兩顆粒，Kn為當法向或切向接觸力達到最大值，即臨界法向法向接觸剛度，Ktw為抗扭轉(zhuǎn)剛度。由于接觸平面內(nèi)或切向黏聚力時，根據(jù)顆粒間不同的相對位置以及的切向、彎曲應變均為平面向量，可將其沿x軸與z達到最大值的先后順序可
7、分為3種情況，如圖2軸方向分解，并定義相應的接觸剛度。其中，Ksx、Ksz所示。為切向接觸剛度，Krx、Krz為抗彎曲剛度，μx、μz為摩擦因數(shù)，φ為顆粒摩擦角，并且有Ksx=Ksz=Ks{Krx=Krz=Kr(1)μx=μz=tanφ1.2顆粒法向、切向接觸力計算傳統(tǒng)顆粒接觸力學模型在法向、切向接觸力的計算中大多僅考慮兩顆粒相互嵌入時的情況，而對于已分離的兩顆粒，則通過添加非張力連接或分離器，忽略顆粒間的相互引力。然而真實月壤顆粒間圖2法向、切向接觸力存在較強的靜電引力、范德華力等復雜作用力，因而Fig．2Normalan
8、dshearcontactforce已分離的月壤顆粒間仍存在一定的相互作用。從靜電引力與范德華力的常見公式中可知這2個力均與(1)切向接觸力先達到最大值且兩顆粒仍處于顆粒間距離的若干次方呈反比，且作用范圍很小。嵌入狀態(tài):切向接觸力由Fntanφ+Cs變?yōu)镕ntanφ，作但在離散元仿真中，考
