月壤取芯鉆具熱特性有限元分析

賴小明,杜志豪,王國峰,王國欣,莫桂冬

（1.北京衛(wèi)星制造廠,北京 100094；2.南陽師范學院 機電工程學院,南陽 473061；3.哈爾濱工業(yè)大學 材料學院,哈爾濱 150001）

0 引 言

月壤鉆取采樣是我國探月三期工程[1]的重要任務,取樣方式的設計及樣品層理信息保持程度是影響任務質(zhì)量的關鍵因素[2]。深層采樣的目標是獲取月面以下2 m、純凈無污染并保持一定層理信息的原態(tài)月壤樣品[3],由于月壤的復雜性,目前多數(shù)的研究主要是通過仿真手段研究月壤性質(zhì)對鉆取過程的影響[4-7],且對月壤鉆探采樣裝置中的鉆桿結構優(yōu)化和鉆進過程進行了研究[8-9]。哈工大鄧宗全教授等對月球次表層鉆取采樣鉆桿的輸土原理進行了理論分析,基于散體力學中連續(xù)介質(zhì)假設,建立了鉆桿回轉(zhuǎn)輸土阻力矩模型；北京衛(wèi)星制造廠賴小明等[10]根據(jù)月面真空條件下的月壤環(huán)境,制備真空度低于10 Pa、鉆進深度不少于2 m的模擬月壤,并開展鉆進過程熱特性試驗,試驗研究結果表明,內(nèi)外管聯(lián)合取芯鉆具能更好地滿足我國月球鉆探取樣返回的要求。對于取芯鉆具整體結構在存儲狀態(tài)和極端工作狀態(tài)下的變形等研究極少。

取芯鉆具結構為2 m左右細長桿類結構,由于使用材料具有不同的熱膨脹系數(shù),溫度的變化可能導致內(nèi)部結構干涉、容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形等問題。本文使用非線性有限元分析軟件MSC.Marc對取芯鉆具在飛行階段高、低溫存儲環(huán)境下的變形和應力分布,以及在鉆取工作狀態(tài)下的變形及應力分布情況進行了研究,對取芯鉆具結構設計和校核具有重要意義。同時,通過對月壤取芯鉆具的有限元分析,對取芯鉆具材料選擇以及不同部位間尺寸配合的校核進行了分析。

1 有限元分析模型的建立

取芯鉆具裝置所用的材料主要包括：鋁基碳化硅、2A12鋁合金、TC4合金、40CrNiMoA和40Cr鋼,根據(jù)取芯鉆具裝置的尺寸,建立如圖1的取芯鉆具熱力耦合計算模型,共有118 259個節(jié)點,82 497個單元,單元類型包括四面體單元和六面體單元,仿真分析的約束條件如下。

1）接觸條件：各部位間的連接采用Touch接觸,在熱力耦合計算中,各接觸構件間的接觸熱傳導系數(shù)假設均相同。

2）邊界條件：（1）位移邊界條件：固定芯管上接頭和鉆桿接頭的上部節(jié)點,這些節(jié)點在X、Y、Z三個方向上的位移固定為0；（2）力學邊界條件：工作狀態(tài)中軸向力作用力以均勻面力施加在鉆頭的底部,最大扭矩以力偶的形式作用在鉆頭的軸向節(jié)點上；（3）溫度邊界條件：①存儲狀態(tài)：初始溫度為室溫20 ℃,在非工作階段需要耐受極限高溫環(huán)境溫度75 ℃和極限低溫環(huán)境–105 ℃；②工作狀態(tài)：取芯鉆具初始溫度設定為25 ℃,鉆頭前端最高溫度設定為600 ℃,假設存在兩種情況：當鉆頭前端按恒溫時,即在極端條件下,鉆頭前端溫度在1 min內(nèi)由25 ℃均勻升高至600 ℃；當鉆頭前端按均勻生熱,恒定熱流輸入時,設定輸入的熱流在20 min時使鉆頭前端溫度達到600 ℃左右。

圖1 取芯鉆具熱力耦合計算模型Fig.1 The thermal-mechanical coupled finite element model of soil-drilling tool

2 取芯鉆具有限元分析

2.1 存儲狀態(tài)有限元分析

計算取芯鉆具在飛行過程中,低溫、高溫存儲環(huán)境影響下的變形及應力分布情況,在非工作階段需要耐受極限低溫環(huán)境和極限高溫環(huán)境分別為–105 ℃和75 ℃,初始溫度設定為室溫20 ℃。取芯鉆具鉆頭部位構件在低溫、高溫存儲狀態(tài)下的Z向位移與應力分布如圖2～3所示,圖4為取芯鉆具鉆頭部位配合序號示意圖,表1為配合部位的配合尺寸。

圖2 低溫存儲條件下,取芯鉆具鉆頭部位構件的Z向位移與應力分布Fig.2 The stress distribution and displacement Z of drilling bit at low temperature

圖3 高溫存儲條件下,取芯鉆具鉆頭部位構件的Z向位移與應力分布Fig.3 The stress distribution and displacement Z of drilling bit at high temperature storing stage

圖4 低溫、高溫存儲下鉆頭部位配合部位序號Fig.4 The assembly parts’ serial number of drilling bit

表1 低溫、高溫存儲下鉆頭部位配合尺寸有限元分析測量數(shù)據(jù)Table 1 The assembly dimension of drilling bit in finite element analysis /mm

從圖2～3可以看出,在存儲條件下鉆頭部位和護套部位的軸向位移因各自軸向材料線膨脹系數(shù)的不同出現(xiàn)了明顯的差別。在低溫條件下,鉆頭部位最大位移為5.1 mm,護套端部最大位移8.57 mm,鉆頭和護套產(chǎn)生了約為3.47 mm的相對移動；而在高溫存儲條件下,鉆頭部位約為2.2 mm,護套部位為3.5 mm,鉆頭和護套的配合部位的相對位移約為1.3 mm。

熱脹冷縮造成的局部熱應變,會引起接觸部位間的應力變化。在存儲條件下,最大應力部位出現(xiàn)在鉆桿接頭部位,低溫存儲415 MPa,高溫存儲244 MPa,這主要是由于有限元模型計算需要,在建立模型時必須對該部位節(jié)點固定,熱脹冷縮引起內(nèi)部較大的熱應力,實際情況中不會出現(xiàn)。另一應力較大部位為護套和外管結合部位,建模按照連接在一起計算,由于材料熱膨脹系數(shù)有差別,導致在低溫存儲時最大應力169 MPa,高溫存儲時最大應力75 MPa。而實際應為螺紋連接,存在間隙等原因,并不會出現(xiàn)太大的應力。

由表1中3個配合部位在低溫、高溫存儲條件下的計算值可以看出,在存儲狀態(tài)下護套和鉆頭以及取芯管之間不會發(fā)生干涉或者配合失效的情況。從配合尺寸和應力分布來看,在存儲條件下,取芯鉆具的材料選用和結構設計合理,滿足強度和功能要求。

2.2 取芯軟袋與取芯管的間隙變形量

在存儲狀態(tài)和工作狀態(tài),取芯管和取芯軟袋之間需要存在適當?shù)拈g隙量,以保證軟袋能夠正常使用。在高溫存儲條件下,取芯管和取芯軟袋在高溫存儲時的徑向變形量如圖5（a）所示,兩者之間存在一定的徑向初始間隙,升溫55 ℃后,取芯管向外膨脹徑向距離為0.011 mm,取芯袋向內(nèi)收縮了0.001 mm,要遠小于初始間隙,余量充足。當?shù)蜏卮鎯r,取芯管內(nèi)縮,取芯軟袋和取芯管兩者之間的徑向間隙增大,余量更大。

在極限高溫的條件下,假設取芯管和取芯袋溫度均升高400 ℃,此時取芯管和取芯軟袋的徑向變形量如下圖5（b）所示,取芯管由于受熱向外膨脹量約為0.082 mm,軟袋向內(nèi)收縮量為0.008 mm,兩者總量大約為0.09 mm,仍小于兩者預設的初始間隙,則說明即使取芯管和取芯袋溫度升高400 ℃,二者之間仍有適當?shù)拈g隙量。

圖5 取芯管和取芯袋的徑向變形量Fig.5 The variation of radial displacement for the core pipe and soft bag

2.3 工作狀態(tài)有限元分析

2.3.1 鉆頭恒定溫度

鉆頭前端的最高溫度假定為600 ℃,且在鉆進過程中保持該溫度不發(fā)生變化。整個鉆具裝置的初始溫度設定為25 ℃,鉆頭端部最高溫度在1 min內(nèi)升至600 ℃。圖6為在該種極限工作狀態(tài)下的位移、應變和應力分布圖。

由圖6可知X、Y向的位移產(chǎn)生的主要原因是由于力矩的作用,鉆頭在力矩作用下使得鉆頭以及鉆桿發(fā)生轉(zhuǎn)動,從而在X、Y方向上出現(xiàn)比較大的位移,X向位移為–3.6～1.6 mm,Y向位移為–2.6～2.7 mm。由溫度分布圖6（d）也可看出,越靠近鉆頭部位溫度越高,遠離鉆頭及未接觸部位由于熱傳導困難,溫度相對較低,升溫使得材料受熱膨脹,Z向最大位移為2.5 mm；最大的應力達到182 MPa,出現(xiàn)在鉆頭補體與鉆桿接觸部位,而鉆頭與鉆桿件的應力為126 MPa。

2.3.2 鉆頭恒定熱流

將鉆頭的溫度升高來源假定為外部熱流的輸入,在外部熱流的作用下,鉆進20 min時,鉆頭處溫度達到600 ℃左右,相應的熱流大小施加于鉆頭部位。在鉆頭恒定熱流條件下,鉆頭的鉆進情況主要分為持續(xù)鉆進20 min以及鉆進10 min停鉆t0（t0=1、2、3、4、5） min后再次鉆進10 min的不同情況。

在熱流作用下鉆具取芯機構的位移、溫度和應力分布情況同圖5基本一致,在不同鉆進情況下,三個方向的具體位移的匯總?cè)绫?所示。圖7為鉆具不同工作狀態(tài)（最終狀態(tài)）下的配合尺寸間隙變化曲線圖7（a）和最高溫度、最大應力曲線圖7（b）。

表2 鉆具不同工作狀態(tài)（最終狀態(tài)）下的位移分布Table 2 The displacement distribution of drilling bit at different stages

圖6 鉆具工作狀態(tài)（最終狀態(tài)）下的位移、溫度和應力分布Fig.6 The displacement,temperature and stress distribution of drilling tool at different stages

圖7 鉆具不同工作狀態(tài)（最終狀態(tài)）下*的：配合尺寸間隙和溫度、應力曲線圖Fig.7 The tolerance of assembly sizes and the temperature and stress curves for drilling bit at different stages

表2對比了在不同溫度設定輸入方式和鉆進情況下鉆具機構在X、Y、Z向的最大位移量,圖7曲線圖顯示了最高溫度分布和最大應力以及3個配合部位的尺寸。X、Y兩個方向上的位移基本呈現(xiàn)出對稱的形式,Z向變形量主要是由于鉆具前端受熱膨脹軸向伸長引起的。在恒流條件下,隨著停鉆時間t0由0增加到5 min,鉆頭前端最高溫度分別為620℃、598℃、613℃、611℃、604℃、602℃、599 ℃。從圖7（b）最高溫度變化可以看出,隨著停鉆時間增加,最高溫度僅有小幅度的下降,這也使得鉆具前端部位最大Z向位移差別不大,均在0.7 mm左右。

最大應力出現(xiàn)在鉆頭補體與鉆桿接觸部位的局部節(jié)點處,在恒流條件下,最大應力在290～310 MPa,總體應力在160 MPa左右。最大應力主要是由于局部節(jié)點連接,兩個接觸體之間溫度不等引起網(wǎng)格嚴重變形造成的。

2.3.3 封口器溫度

在恒流輸入的條件下,工作狀態(tài)是取芯鉆具持續(xù)鉆進20 min時,將封口器加入了模型之中,在模型中封口器與取芯管直接接觸,由于模型中接觸面積要遠大于實際接觸面積,假定接觸傳導系數(shù)為給定接觸傳導系數(shù)0.01。封口器沿取芯管軸向勻速運動,鉆進結束封口器到達取芯管端部。在取芯管端部施加一定的熱流,使端部在20 min時可達到300 ℃,以較高溫度條件研究封口器在鉆進過程中的溫度變化。封口器和鉆頭前端部位溫度如圖8所示。

在接觸熱傳導系數(shù)為0.01的條件下,當取芯管端部溫度為308 ℃時,封口器運動至取芯管端部的最終溫度為66.5 ℃,接觸熱傳導系數(shù)選取是否適當對封口器的溫度影響較大。當該系數(shù)選擇為0.02或0.12時,封口器最終溫度分別為104 ℃和185 ℃,均在封口器材料的允許使用溫度范圍之內(nèi),不影響封口器的正常工作。鉆頭與護套配合部位的最終徑向雙邊間隙為0.06 mm,兩者之間仍存在間隙,滿足設計要求,可很好地實現(xiàn)鉆進過程。

圖8 帶封口器的鉆頭前端溫度分布Fig.8 The front part’ temperature distribution of drilling bit

3 結 論

本文通過對取芯鉆具進行模型簡化的基礎上,利用有限元分析的方法分析了取芯鉆具的熱特性。在飛行階段不同高、低溫存儲環(huán)境下,研究了結構變形和應力分布,計算了不同鉆進工況下的熱力耦合特性,提取了關鍵點的溫度和位移參數(shù),并采用極限溫升法研究了取芯軟袋與取芯管的間隙變化,通過取芯鉆具熱特性有限元分析驗證了各部位材料選擇和間隙設計的合理性,為未來月球采樣返回工程應用奠定了基礎。

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