月壤鉆取與整形過程中樣品層理保持特性分析

張利新 劉天喜 張鼐 王迎春 馬亮

(1 北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094)(2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

?

月壤鉆取與整形過程中樣品層理保持特性分析

張利新1劉天喜2張鼐1王迎春1馬亮2

(1 北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094)(2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

基于離散元方法建立了考慮顆粒間扭轉(zhuǎn)、彎曲力矩及等效引力作用的三維離散元月壤模型，利用三軸仿真試驗(yàn)標(biāo)定模型細(xì)觀參數(shù)，得到滿足真實(shí)月壤宏觀力學(xué)特性的仿真模型。對(duì)月壤鉆取和整形過程進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，提出了“分層概率法”，以每層月壤在運(yùn)動(dòng)過程中向鄰層錯(cuò)動(dòng)的概率評(píng)價(jià)層理保持特性。由仿真結(jié)果可知：月壤鉆進(jìn)取樣過程中樣品層理信息會(huì)遭到鉆取和整形兩次破壞，二者破壞程度相當(dāng)，且越靠近表層層理信息破壞越嚴(yán)重。分層概率法可有效描述月壤鉆取與整形過程月壤樣品的層理信息破壞情況，分析結(jié)果可為月壤采樣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

月壤采樣；離散元模型；鉆取過程；整形過程；層理保持特性

1 引言

隨著嫦娥三號(hào)月球探測(cè)器成功發(fā)射、軟著陸器成功落月、月球車成功巡視月面環(huán)境，我國(guó)探月工程已加緊步伐進(jìn)入了第三階段——采樣返回[1]。美國(guó)阿波羅-15～17(Apollo-15～17)飛船、蘇聯(lián)月球-16、20、24(Luna-16、20、24)探測(cè)器均采用空心螺旋鉆進(jìn)行過多次月壤鉆進(jìn)取樣，該方法由于具有一定的取樣深度，期望收集返回的月壤樣品在數(shù)量充足的基礎(chǔ)上，還能較好地保持原位月壤的層理特性[2]。鉆具的回轉(zhuǎn)進(jìn)尺運(yùn)動(dòng)[3]和取樣軟袋的螺旋盤繞運(yùn)動(dòng)都會(huì)使月壤樣品的層理信息遭到一定破壞，因此樣品的層理破壞程度是工程人員進(jìn)行鉆具結(jié)構(gòu)、取芯方案、尺寸參數(shù)等設(shè)計(jì)時(shí)十分關(guān)注的指標(biāo)之一。對(duì)于鉆進(jìn)取樣模式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用模擬月壤地面實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行月壤鉆取機(jī)理研究，但地面實(shí)驗(yàn)難以觀測(cè)鉆具內(nèi)部的月壤樣品運(yùn)動(dòng)情況及描述月壤樣品的層理變化，因此，須研究用于描述月壤樣品的層理保持特性的方法。

離散元法是巖土動(dòng)態(tài)分析中的常用方法，適合觀測(cè)土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)情況。采用離散元法[4-5]描述月壤，其關(guān)鍵問題在于模型精準(zhǔn)度，即通過建立合適的顆粒接觸模型來描述月壤的特殊力學(xué)性質(zhì)，對(duì)此學(xué)者們提出了多種顆粒接觸本構(gòu)關(guān)系[6-7]。文獻(xiàn)[8]基于模擬月壤的實(shí)際顆粒形態(tài)及粒徑級(jí)配的分布特點(diǎn)，在避免形成顆粒內(nèi)部預(yù)應(yīng)力的前提下，提出中心圓半徑縮小法的顆粒群生成策略。文獻(xiàn)[9-10]通過獨(dú)特的膠結(jié)方式考慮顆粒間抗彎抗扭作用提出了蔣氏模型，并根據(jù)文獻(xiàn)[11]提出的表面清潔度概念，考慮了表面力作用[12]，在顆粒間引入了范德華力，建立了最終的月壤模型[13]。但以上模型多為二維模型，月壤鉆取等涉及顆粒間大范圍空間交錯(cuò)運(yùn)移的情況難免受限，且模型宏觀力學(xué)性質(zhì)與真實(shí)月壤對(duì)比尚有差異?；陔x散元的月壤層理保持特性研究方面，文獻(xiàn)[14-15]提出了整體性的描述方法，但無法細(xì)致、量化地描述各層變化形式和程度；文獻(xiàn)[3]提出的曲面斜率法能夠較精細(xì)地描述鉆取過程樣品層理的破壞形態(tài)，但過于復(fù)雜且無法在整形過程中應(yīng)用。

本文首先基于開源離散元程序Yade，建立了一種考慮顆粒間扭轉(zhuǎn)、彎曲力矩及等效引力作用的新型三維離散元月壤模型[16]，通過參數(shù)標(biāo)定使模型抗剪強(qiáng)度參數(shù)滿足真實(shí)月壤的力學(xué)性質(zhì)要求[17-18]。針對(duì)月壤鉆取與整形過程，建立了描述層理信息的分層概率法，通過對(duì)鉆進(jìn)過程和整形過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，分析了兩過程中月壤樣品的層理保持特性。

2 月壤鉆取與整形過程

以Luna-24為代表的月球探測(cè)器采用了空心螺旋鉆回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)取樣模式，并采用軟袋進(jìn)行樣品整形收集，該采樣方法經(jīng)驗(yàn)證取樣效果較好。2011年俄羅斯發(fā)射失敗的福布斯-土壤號(hào)火星探測(cè)器延續(xù)了此采樣模式用于火衛(wèi)一土壤取樣[19]，而我國(guó)將發(fā)射的月球采樣器也會(huì)借鑒該采樣方式。

鉆具向月壤內(nèi)鉆進(jìn)過程中，月壤樣品進(jìn)入鉆桿內(nèi)部中空部分，被逐漸生成的取樣軟袋包裹形成樣品，樣品在取樣袋內(nèi)不隨鉆桿發(fā)生旋轉(zhuǎn)，但其在進(jìn)入軟袋之前由于與鉆頭內(nèi)壁直接接觸，在鉆頭的回轉(zhuǎn)進(jìn)尺作用下會(huì)發(fā)生隨動(dòng)作用，如圖1所示，在鉆頭擾動(dòng)下，該部分月壤受到切削、回轉(zhuǎn)摩擦、縱向摩擦等復(fù)雜作用，月壤顆粒發(fā)生螺旋運(yùn)動(dòng)，形成從內(nèi)側(cè)向外側(cè)的不均衡壓力差，使得靠?jī)?nèi)側(cè)樣品顆粒逐漸向上拱起，靠外側(cè)樣品顆粒向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而形成層理錯(cuò)動(dòng)[20]。對(duì)于月壤鉆取過程，回轉(zhuǎn)速度、進(jìn)尺速度等鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)以及鉆頭尺寸、構(gòu)型等結(jié)構(gòu)參數(shù)，均對(duì)鉆頭-月壤間相互作用具有影響進(jìn)而改變樣品層理保持能力，因此，樣品層理錯(cuò)動(dòng)程度分析可作為月壤鉆采機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的重要參考之一。

圖1 月壤鉆取過程Fig.1 Lunar soil drilling process

鉆進(jìn)采樣結(jié)束后，月壤樣品在取樣袋內(nèi)形成一條細(xì)長(zhǎng)土柱，為收集方便需要進(jìn)行纏繞整形，將月壤樣品盤成螺旋形，儲(chǔ)存于收容箱中，此即整形過程，如圖2所示。整形時(shí)，取樣袋盤繞會(huì)擠壓內(nèi)部月壤樣品，使月壤樣品顆粒再次運(yùn)動(dòng)、重新分布，造成層理信息再次錯(cuò)動(dòng)。對(duì)于整形過程，整形速度、纏繞半徑、樣品袋直徑、材料等參數(shù)均影響樣品的重新分布，因此，樣品再次錯(cuò)動(dòng)程度也是月壤鉆采整形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參考之一。

圖2 Luna-24月壤樣品及整形機(jī)構(gòu)Fig.2 Sample and shaping mechanism of Luna 24

3 月壤三維離散元建模

3.1 顆粒接觸碰撞模型

顆粒間的相互作用不僅包括傳統(tǒng)的法向、切向力作用，還包括扭轉(zhuǎn)與彎曲的力矩作用，因此建立帶扭轉(zhuǎn)、彎曲力矩的顆粒接觸碰撞三維離散元模型如圖3所示。

圖3 顆粒接觸碰撞三維模型Fig.3 Three-dimensional lunar soil particle contact model

圖3中，A、B代表發(fā)生接觸碰撞的兩顆粒，Kn為法向接觸剛度，Ktw為抗扭轉(zhuǎn)剛度。由于接觸平面內(nèi)的切向、彎曲應(yīng)變均為平面向量，可將其沿x軸與z軸方向分解，并定義相應(yīng)的接觸剛度。其中，Ksx、Ksz為切向接觸剛度，Krx、Krz為抗彎曲剛度，μx、μz為摩擦系數(shù)。以φ表示顆粒摩擦角，則有

(1)

3.2 顆粒法向、切向接觸力計(jì)算

為了體現(xiàn)出顆粒間的引力作用，將顆粒間復(fù)雜的引力作用綜合考慮為抵抗彈簧拉伸的等效引力，并設(shè)定最大邊界值作為引力失效區(qū)，當(dāng)法向或切向接觸力達(dá)到最大值，即臨界法向或切向黏聚力時(shí)，根據(jù)顆粒間不同的相對(duì)位置以及達(dá)到最大值的先后順序設(shè)定不同的計(jì)算方式，如圖4所示，計(jì)算公式見文獻(xiàn)[21]。

圖4 法向、切向接觸力Fig.4 Normal and tangential contact forces

圖4中Fn為法向接觸力，F(xiàn)s為切向接觸力，εn為法向應(yīng)變，εs為切向應(yīng)變，Cn為顆粒間臨界法向黏聚力，Cs為顆粒間臨界切向黏聚力。(1)(2)(3)分別表示兩顆粒間切向接觸力先達(dá)到最大值且兩顆粒仍處于嵌入狀態(tài)、切向接觸力先達(dá)到最大值且兩顆粒已處于分離狀態(tài)、法向接觸力先達(dá)到最大值等3種接觸力達(dá)到臨界的過程。

3.3 顆粒扭轉(zhuǎn)、彎曲力矩計(jì)算

人工挖孔灌注樁的施工過程包括測(cè)量、機(jī)械操作、鋼筋加工、支盤擠擴(kuò)、清孔和灌注等多個(gè)環(huán)節(jié)，施工種類較多，技術(shù)含量較高，影響因素較廣。在施工過程中，容易出現(xiàn)樁位偏差大、孔底沉渣多、鋼筋籠上浮、樁體混凝土離析、斷樁、夾泥等質(zhì)量問題，這些問題可能導(dǎo)致成樁難以滿足原始設(shè)計(jì)要求，補(bǔ)救難度極大。因此，施工管理人員必須加強(qiáng)對(duì)施工準(zhǔn)備、成孔、清孔、下鋼筋籠、灌注水下混凝土等施工環(huán)節(jié)的質(zhì)量監(jiān)督，采取有效的預(yù)防措施，提高成樁質(zhì)量。主要施工工藝流程包括以下3個(gè)重要環(huán)節(jié)：

扭轉(zhuǎn)與彎曲作為顆粒間的主要力矩作用形式，對(duì)月壤宏觀抗剪強(qiáng)度存在巨大影響。首先根據(jù)迭代時(shí)步建立相對(duì)轉(zhuǎn)角與顆粒角速度差的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

(2)

式中：Θtw為顆粒相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，Θrx、Θrz為顆粒相對(duì)彎曲角，ji指在某方向上的分量，ω1、ω2為兩顆粒角速度矢量，t為時(shí)間。

然后根據(jù)所定義的接觸剛度計(jì)算出扭轉(zhuǎn)、彎曲力矩：

(3)

式中：Ktw為抗扭轉(zhuǎn)剛度，Kr為抗彎曲剛度，Mtw為扭轉(zhuǎn)力矩值，Mrx和Mrz為彎曲力矩值。

3.4 模型標(biāo)定與精度驗(yàn)證

月壤鉆取與整形過程中月壤顆粒不斷運(yùn)動(dòng)造成層理錯(cuò)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)特征取決于月壤體現(xiàn)出的宏觀力學(xué)性質(zhì)，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是最能反映土壤在動(dòng)態(tài)行為中力學(xué)性能的宏觀參數(shù)[22]，包括內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ，世界公認(rèn)的真實(shí)月壤抗剪強(qiáng)度指標(biāo)最佳估計(jì)值見表1[18]。

表1 月壤內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角最佳估計(jì)值

月壤離散元模型的標(biāo)定過程即是通過調(diào)整模型中顆粒的細(xì)觀參數(shù)，使得模型所表現(xiàn)出的宏觀性質(zhì)與真實(shí)月壤相一致。本模型的參數(shù)標(biāo)定過程選用土力學(xué)中最常用的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，以學(xué)者Scott R F[23]利用NASA采集回來的真實(shí)月壤所做的三軸試驗(yàn)條件為基準(zhǔn)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，標(biāo)定過程見文獻(xiàn)[21]，標(biāo)定后的月壤離散元模型內(nèi)聚力c為0.90 kPa、內(nèi)摩擦角φ為42.25°，滿足表1所示真實(shí)月壤宏觀力學(xué)性能指標(biāo)，表明所建立的月壤離散元模型可以代替真實(shí)月壤完成月壤鉆取過程的仿真任務(wù)。作者已采用本模型進(jìn)行了有關(guān)月壤挖掘的仿真分析，證明了模型的準(zhǔn)確性[24]。

4 仿真條件與層理評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)

4.1 月壤鉆取過程仿真設(shè)計(jì)

為模擬真實(shí)的月壤鉆取過程，重力環(huán)境設(shè)定為月球重力G=1.67 m/s2。設(shè)置鉆進(jìn)目標(biāo)月壤模型為圓柱體，高200 mm、底面直徑60 mm，以顏色區(qū)別均分為8層，顆粒生成后經(jīng)重力沉積，高度減小到114.6 mm。使用三維建模軟件ProE建立鉆具三維模型，保存為.stl格式文件，導(dǎo)入到Y(jié)ADE仿真環(huán)境中。YADE會(huì)根據(jù)模型形狀，采用“面生成”法，將實(shí)體模型表示為多個(gè)三角面的組合體。取樣袋以在鉆桿內(nèi)部逐漸生成圓柱面的方式設(shè)置，生成速度與鉆進(jìn)速度相同，鉆具每鉆進(jìn)一定深度就生成一小段圓柱面，如此反復(fù)，用以模擬軟袋不斷向內(nèi)翻折過程。以上月壤鉆取過程仿真設(shè)計(jì)如圖5所示，鉆具結(jié)構(gòu)與材料見文獻(xiàn)[20]。鉆進(jìn)過程設(shè)計(jì)鉆進(jìn)量為114 mm，進(jìn)尺速度為0.01 m/s，鉆具的轉(zhuǎn)速為4π rad/s。

圖5 鉆進(jìn)及取樣袋生成過程Fig.5 Drilling process and sample bag generation process

4.2 整形過程仿真設(shè)計(jì)

月壤鉆進(jìn)取樣后，承裝樣品的樣品袋要經(jīng)過提芯過程從鉆桿內(nèi)抽出，再經(jīng)過整形過程盤繞成螺旋形。首先在鉆進(jìn)過程仿真結(jié)束后提取取樣袋與袋內(nèi)月壤樣品，如圖6所示。

圖6 提取月壤樣品及取樣袋Fig.6 Pick up the lunar soil sample and the sample bag

對(duì)提取出的月壤樣品及取樣袋進(jìn)行路徑規(guī)劃見表2。

表2 取樣袋運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

取樣袋整形全過程如圖7所示，首先沿z方向上提，模擬樣品袋從鉆桿中提芯過程，上提動(dòng)作結(jié)束后，取樣袋須進(jìn)行斜向上運(yùn)動(dòng)，從而運(yùn)動(dòng)到收容箱入口處。在上提與斜向上運(yùn)動(dòng)中加入旋轉(zhuǎn)過渡，斜向上運(yùn)動(dòng)結(jié)束后還要進(jìn)行一小段水平移動(dòng)，兩者間同樣須要加入旋轉(zhuǎn)過渡。經(jīng)過水平運(yùn)動(dòng)后，取樣袋進(jìn)入收容箱，進(jìn)行螺旋進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，纏繞成圓柱筒狀。

圖7 整形仿真取樣袋運(yùn)動(dòng)規(guī)劃Fig.7 Motion planning of the sample bag in the shaping simulation

4.3 層理保持評(píng)價(jià)方法

評(píng)價(jià)月壤樣品的層理保持特性，需要適用層理保持評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)是追蹤月壤樣品顆粒的位置信息，但不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)決定了不同評(píng)價(jià)方法的適用性。本文提出一種新的層理評(píng)價(jià)方法——“分層概率法”，此方法通過概率統(tǒng)計(jì)的方式，在取樣前后分別對(duì)原位月壤和月壤樣品進(jìn)行相同層數(shù)的分層處理，統(tǒng)計(jì)取樣后月壤樣品的每一層中，含有原位月壤每一層的比例。通過得到每層月壤樣品中含有各層原位月壤比例的二維數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)層理保持特性的優(yōu)劣。理想情況為每一層的月壤樣品應(yīng)含有100%的相同層數(shù)的原位月壤，實(shí)際情況是不可能達(dá)到100%的層理保持，但每一層的月壤樣品應(yīng)含有最高比例的相同層數(shù)的原位月壤，圖8所示為“分層概率法”的基本應(yīng)用流程。

圖8 分層概率法示意圖Fig.8 Diagram of stratified probability method

5 鉆取與整形過程層理特性分析

5.1 月壤鉆取過程層理特性分析

鉆進(jìn)過程結(jié)束后狀態(tài)如圖9所示，鉆桿內(nèi)收集到的月壤樣品深度小于原位月壤的深度。這是由于在鉆頭與月壤接觸并對(duì)月壤進(jìn)行切削的過程中，鉆頭與月壤間存在縱向的摩擦力及壓力，對(duì)月壤產(chǎn)生壓縮效應(yīng)。此外，雖然鉆具鉆深達(dá)到114 mm，但進(jìn)入鉆桿內(nèi)部的月壤樣品只有7層，還有1層月壤在鉆頭內(nèi)部，無法被取樣袋收集。這是由于鉆頭自身存在一定高度，而取樣袋下端于鉆頭鉆桿銜接處生成，因此會(huì)有部分月壤只能存在于鉆頭內(nèi)部，而無法被取樣袋收集。

圖9 鉆進(jìn)過程初始、最終狀態(tài)對(duì)比Fig.9 Initial and final status of drilling process

對(duì)于被取樣袋收集的7層月壤樣品，采用分層概率法進(jìn)行分層處理，得到如表3所示的各層月壤樣品分層概率值?？梢钥闯觯鲗釉氯罉悠肪粌H含有相同層數(shù)的原位月壤，還含有相鄰層的原位月壤，因此含相同層數(shù)原位月壤的比例均未達(dá)到“1”的理想狀態(tài)，說明月壤鉆進(jìn)過程中層理發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，符合實(shí)際情況。同時(shí)，每層月壤樣品含有相同層數(shù)原位月壤的比例最高，表3中以方框數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了各層樣品保持原層理信息的能力，表3中1～7層含相同層數(shù)原位月壤的比例值從最上層到最下層逐漸增大，分別為：0.684、0.700、0.722、0.760、0.763、0.765、0.844，說明層理保持特性隨深度增加逐漸變好。此外，月壤鉆取時(shí)，各層月壤樣品呈弧形，中部向上突出，兩側(cè)向下滑移，說明采樣過程中底部月壤會(huì)從樣品中部逐漸向上頂起，形成土拱效應(yīng)。表3中下劃線數(shù)據(jù)為向上錯(cuò)動(dòng)，表示低層顆粒向高層顆粒運(yùn)動(dòng)過程，而最外側(cè)樣品由于受到摩擦和擠壓則向下運(yùn)動(dòng)。表3中波浪線數(shù)據(jù)為向下錯(cuò)動(dòng)，表示高層顆粒向低層運(yùn)動(dòng)過程。由表3可知，各層樣品均包括一定比例的向上錯(cuò)動(dòng)顆粒和向下錯(cuò)動(dòng)顆粒，向上錯(cuò)動(dòng)顆粒比例通常大于向下錯(cuò)動(dòng)比例，說明鉆取采樣時(shí)土拱效應(yīng)顯著。向下錯(cuò)動(dòng)顆粒比例各層相差不大，都在0.09左右，說明外側(cè)樣品顆粒的向下滑移運(yùn)動(dòng)是與鉆深無關(guān)的過程；而向上錯(cuò)動(dòng)顆粒比例從0.316由上至下逐漸降低至0.136，說明土拱程度隨鉆深增加逐漸減小，這是由于隨鉆深增加，樣品上方逐漸增多的月壤向下壓制造成的。圖10所示為鉆進(jìn)過程月壤樣品分層概率云圖，可以直觀地看出各層月壤樣品含有各層原位月壤的集中程度。

表3 鉆進(jìn)過程月壤樣品分層概率值

圖10 鉆進(jìn)過程月壤樣品分層概率云圖Fig.10 Probability cloud chat of each sample layer in the drilling process

5.2 樣品整形過程層理特性分析

整形過程始末狀態(tài)如圖11所示。月壤樣品螺旋纏繞，內(nèi)側(cè)被擠壓外側(cè)則存在拉伸，而且由于取樣袋的樣品填充率無法達(dá)到100%，第1層月壤樣品前端無阻礙，因此在運(yùn)動(dòng)過程中形成“坡面”，層理信息破壞嚴(yán)重。

圖11 整形過程初始、最終狀態(tài)對(duì)比Fig.11 Initial and final status of shaping process

采用分層概率法對(duì)月壤樣品進(jìn)行分層處理，得到如表4所示的各層月壤樣品分層概率值，原位保持與上下層錯(cuò)動(dòng)數(shù)據(jù)表示方法與表3相同。由表4可知，整形后每層月壤樣品含有相同層數(shù)原位月壤的比例最高，1～7層含相同層數(shù)原位月壤的比例值分別為：0.600、0.634、0.635、0.722、0.750、0.764、0.835，從最上層到最下層比例值逐漸增大，說明層理保持特性隨深度增加逐漸變好。各層向下錯(cuò)動(dòng)比例差別不大，均在0.1左右，只有最后一層由于已達(dá)到取樣袋底端，不可能再向下錯(cuò)動(dòng)而達(dá)到0.164，說明整形纏繞月壤樣品在擠壓作用下向下錯(cuò)動(dòng)比例較均勻，與深度無關(guān)；而向上錯(cuò)動(dòng)比例從0.4由上至下降低至0.109，說明最上層顆粒由于前方無遮擋，纏繞過程中向前擴(kuò)散嚴(yán)重，而隨深度增加，由于前方月壤阻礙越來越大，向上錯(cuò)動(dòng)程度迅速降低。圖12所示為整形后月壤樣品分層概率云圖，可以看出各層月壤樣品中含有各層原位月壤的集中程度，層理信息繼續(xù)遭到破壞，且淺層部分破壞嚴(yán)重。

表4 整形過程月壤樣品分層概率值

圖12 整形過程月壤樣品分層概率云圖Fig.12 Probability cloud chat of each sample layer in the shaping process

6 結(jié)束語

由仿真結(jié)果可知，月壤鉆取過程月壤樣品中部形成土拱效應(yīng)，土拱程度隨鉆深增加逐漸減小，周邊顆粒向下運(yùn)動(dòng)，向下錯(cuò)動(dòng)程度與鉆深基本無關(guān)，各層樣品層理信息均遭到破壞，保持原層顆粒的概率表層最差約0.684，隨鉆深增加逐漸增強(qiáng)，鉆深100 mm左右時(shí)達(dá)到0.844。整形過程月壤樣品進(jìn)行纏繞運(yùn)動(dòng)，層理信息進(jìn)一步遭到破壞，各層向下錯(cuò)動(dòng)比例較均勻，向上錯(cuò)動(dòng)表層最嚴(yán)重約0.400，隨深度增加比例迅速降低，各層樣品保持原層顆粒的概率表層最差約0.600，隨深度增加逐漸增強(qiáng)，深度100 mm左右時(shí)達(dá)到0.835，因此月壤鉆進(jìn)取樣過程中樣品層理信息會(huì)遭到鉆取和整形兩次破壞，二者破壞程度相當(dāng)。

綜上所述，鉆取與整形過程越靠近表層層理信息破壞越嚴(yán)重，可在鉆進(jìn)初始階段適當(dāng)調(diào)整鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)減小對(duì)樣品層理信息的破壞，在樣品頂端增加適當(dāng)?shù)淖韪舨考p小整形過程的層理信息破壞，分層概率法可用于兩過程中樣品層理錯(cuò)動(dòng)程度的描述，為月壤采樣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

References)

[1] 歐陽自遠(yuǎn). 我國(guó)月球探測(cè)的總體科學(xué)目標(biāo)與發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展,2004,19(3): 351-358

Ouyang Ziyuan. Scientific objectives of Chinese lunar exploration project and development strategy[J]. Advances in Earth Science,2004,19(3): 351-358 (in Chinese)

[2]鄢泰寧,冉恒謙,段新勝. 宇宙探索與鉆探技術(shù)[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(1): 3-7

Yan Taining,Ran Hengqian,Duan Xinsheng. Universe exploration and drilling technology[J]. Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling),2010,37(1): 3-7 (in Chinese)

[3]劉天喜,魏承,馬亮,等. 月壤鉆采取樣方式對(duì)樣品層理的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(12): 355-361

Liu Tianxi,Wei Cheng,Ma Liang,et al.Analysis of influence of coring methods on sample bedding in lunar soil drill-sampling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery,2014,45(12): 355-361 (in Chinese)

[4]Cundall P A,Strack O D L. A discrete numerical model for granular assemblies[J]. Geotechnique,1979,29: 47-65

[5]Donzé F V,Richefeu V,Magnier S A. Advances in discrete element method applied to soil,rock and concrete mechanics[J]. Electron J Geotech Eng,2009,8: 1-44

[6]Oida A,Momozu M. Simulation of soil behavior and reaction by machine part by means of DEM[J]. International Commission of Agricultural Engineering (CIGR) E-Journal,2002(4): 1-7

[7]Obermayr M,Dressler K,Vrettos C,et al. A bonded-particle model for cemented sand[J]. Computers and Geotechnics,2013,49: 299-313

[8]高峰,李雯,孫剛,等. 模擬月壤可行駛性的離散元數(shù)值分析[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2009,35(4): 501-504,513

Gao Feng,Li Wen,Sun Gang,et al. Numerical analysis on travel ability of lunar soil simulant by means of distinct element method[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2009,35(4): 501-504,513 (in Chinese)

[9]Jiang M J,Yu H S,Harris D. Bond rolling resistance and its effect on yielding of bonded granulates by DEM analyses[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,2006,30(8): 723-761

[10] Jiang M J,Yu H S,Harris D. A novel discrete model for granular material incorporating rolling resistance[J]. Comput Geotech,2005,32(5): 340-357

[11]Perko H,Nelson J,Sadeh W. Surface cleanliness effect on lunar soil shear strength[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2001,127(4): 371-383

[12]Chang C,Hicher P. Model for granular materials with surface energy forces[J]. Journal of Aerospace Engineering,2009,22(1): 43-52

[13]Jiang M J,Shen Z F,Thornton C. Microscopic contact model of lunar regolith for high efficiency discrete element analyses[J]. Comput Geotech,2013,54: 104-116

[14]趙德明. 月壤在取樣管內(nèi)填充特性的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011

Zhao Deming. Research on the filling characteristic ofluna soil in sampling pipe[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2011 (in Chinese)

[15]崔金生. 模擬月壤的填充模型及特性研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011

Cui Jinsheng. Research on filling model and characteristic of lunar soil simulant[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2011 (in Chinese)

[17]Heiken G H,Vaniman D T,French B M. Lunar sourcebook[M]. London: Cambridge University Press,1991

[18]Gromov V. Physical and mechanical properties of lunar and planetary soils[J]. Earth Moon and Planets,1998,80(1): 51-72

[19]Marov M Y,Avduevsky V,Akim E,et al. Phobos-grunt: Russian sample return mission[J]. Advances in Space Research,2004,33(12): 2276-2280

[20]劉天喜. 基于離散元法的月壤鉆取動(dòng)力學(xué)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2015

Liu Tianxi. Research on lunar soil drilling dynamics based on the discrete element method[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2015 (in Chinese)

[21]劉天喜,魏承,馬亮,等. 大顆粒巖塊對(duì)月壤鉆取過程的影響分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2014,36(11): 2118-2126

Liu Tianxi,Wei Cheng,Ma Liang,et al. Impact analysis of big granular rocks to the drilling process of lunar soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2014,36(11): 2118-2126 (in Chinese)

[22]李廣信. 高等土力學(xué)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,2004

Li Guangxin. Advanced soil mechanics[M]. Beijing: Tsinghua University Press,2004 (in Chinese)

[23]Scott R F. 27th Rankine lecture - failure[J]. Geotechnique,1987,37(4): 423-466

[24]Liu T,Wei C,Liang L,et al. Simulation and analysis of the lunar regolith sampling process based on the discrete element method[J]. Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences,2014,57(6): 309-316

(編輯：李多)

Analysis on Stratification Retention Characteristics in Lunar Soil Drilling and Shaping Process

ZHANG Lixin1LIU Tianxi2ZHANG Nai1WANG Yingchun1MA Liang2

(1 Beijing Spacecrafts,Beijing 100094,China) (2 Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

A three-dimensional lunar soil particle contact model has been built using the discrete element method. This model includes the bending and twisting moment and equivalent gravity between any two lunar soil particles. The tri-axial simulation test has been used to calibrate the microscopic parameters of the model. The macroscopic mechanical properties of the model are the same with that of the true lunar soil. Simulations for the drilling process and shaping process are designed,and "stratified probability method" is proposed to analyze the lunar soil samples’ stratification retention characteristics by the probability of particles in each layer to neighbored layers in the motion process. Simulation results show that in the lunar soil sampling process,the stratification information is destroyed twice,by drilling and shaping processes respectively,and the levels of the two processes are similar. The stratification information of the lunar soil sample more close to the surface is damaged more seriously. Stratified probability method can describe the sample stratification destruction of the lunar soil drilling and shaping process,and the analysis results have important reference value for the lunar soil sampling mechanism design.

lunar regolith；discrete element model；deep sampling；shaping process；stratification retention characteristics

2016-12-13；

2017-02-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(51605114，U1637208)

張利新，男，博士研究生，高級(jí)工程師，從事飛行器總體技術(shù)、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)技術(shù)研究。Email:zhanglixin8377@sohu.com。

V447.1

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.02.007