基于EDEM的月塵環(huán)境效應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與開發(fā)

侯緒研，潘旭東，岳洪浩，閆紀(jì)紅，宋寶玉,黃文濤

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

·專題研討——虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(47)·

基于EDEM的月塵環(huán)境效應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與開發(fā)

侯緒研，潘旭東，岳洪浩，閆紀(jì)紅，宋寶玉,黃文濤

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

利用學(xué)校高端裝備制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺(tái)，面向飛行器制造工程專業(yè)基礎(chǔ)課“空間技術(shù)概論”中的“月球環(huán)境及其模擬試驗(yàn)技術(shù)”章節(jié)，針對(duì)月面環(huán)境物理模擬難度大、成本高等缺點(diǎn)，基于離散元仿真軟件EDEM，結(jié)合已有科研成果，設(shè)計(jì)開發(fā)“月塵環(huán)境效應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)”，模擬月塵環(huán)境及其對(duì)空間運(yùn)動(dòng)副產(chǎn)生的影響，從而使學(xué)生能夠在課堂環(huán)境中即可直觀地感受月塵環(huán)境及其效應(yīng)，為專業(yè)課教學(xué)提供了新的途徑。

虛擬仿真; 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺(tái); 月塵環(huán)境; 離散元法

0 引 言

“空間技術(shù)概論”是我校飛行器制造工程專業(yè)面向大三本科生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講授空間環(huán)境的分類、效應(yīng)、地面模擬試驗(yàn)方法等，包括空間真空環(huán)境、空間磁環(huán)境、微重力環(huán)境、空間碎片與微流星環(huán)境效應(yīng)、空間粒子輻射環(huán)境、原子氧環(huán)境、等離子體環(huán)境等；通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生初步了解到空間環(huán)境的分類、以及空間環(huán)境對(duì)航天器的作用機(jī)理，為學(xué)習(xí)飛行器專業(yè)后續(xù)課程打下基礎(chǔ)。課程第九章為月球環(huán)境及其模擬試驗(yàn)技術(shù)，主要講授月球環(huán)境、月球環(huán)境對(duì)航天器的影響以及月球環(huán)境模擬與試驗(yàn)方法。

月塵是月球環(huán)境中的一個(gè)重要因素，月塵對(duì)月面活動(dòng)具有重要影響，對(duì)探測(cè)器的性能和壽命產(chǎn)生重要影響，直接影響探月工程的可靠性和工程目標(biāo)的完成。專家推測(cè)，目前我國(guó)玉兔號(hào)月球車出現(xiàn)的異常狀態(tài)，其原因極有可能是月塵滲入密封器件、進(jìn)入了運(yùn)動(dòng)部件的間隙處，在月面高低溫環(huán)境的作用下，造成了運(yùn)動(dòng)副的磨損與卡死，從而影響了月球車的正常工作。之后的探月三期工程、載人登月工程、月球基地工程也都將面臨月塵環(huán)境的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

目前世界上只有美國(guó)和前蘇聯(lián)成功采集月塵樣品返回地球，我國(guó)受贈(zèng)于美國(guó)的0.5 g月塵樣品已永久封存于中國(guó)科學(xué)院，因此無(wú)法直觀講授該章節(jié)內(nèi)容。而地面模擬實(shí)驗(yàn)所需條件極其苛刻，目前國(guó)內(nèi)只有中國(guó)空間技術(shù)研究院擁有相關(guān)設(shè)備條件，而且工程任務(wù)繁重[1]。因此，為了更好地讓學(xué)生掌握月塵環(huán)境及其效應(yīng)，現(xiàn)將多年科研成果轉(zhuǎn)化至課堂教學(xué)，利用最新的虛擬仿真技術(shù)對(duì)月塵環(huán)境進(jìn)行模擬，并設(shè)計(jì)開發(fā)相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)，鞏固課堂教學(xué)成果。

1 月塵的理化特性

月壤(lunar regolith)被定義為月球表面的一層碎屑或松散的礦物質(zhì)，這些碎屑或礦物質(zhì)或者固定在一處，或者懸浮于空中，不同的地方也許具有不同的化學(xué)特性。而月塵(lunar dust或lunar soil)是由月壤表層更加微小的顆粒組成。月塵由于暴露在高能帶電粒子和微流星的輻射環(huán)境下，形成了月塵微米級(jí)顆粒粒徑、尖角狀顆粒形態(tài)、表面帶靜電的特點(diǎn)。此外，月塵粒子的質(zhì)量、硬度、形態(tài)、大小、熱傳導(dǎo)率、電荷和顏色與地球上的粉塵都有很多明顯的不同。月塵顆粒的掃描電鏡如圖1所示。其物理特性參數(shù)如表1所示[2]。

2 月塵環(huán)境效應(yīng)

揚(yáng)起和懸浮的月塵顆粒因其黏附特性會(huì)附著在與其接觸的各類表面上，嚴(yán)重影響航天器和探測(cè)儀器的可靠性。

(1) 沉積污染效應(yīng)。沉積污染效應(yīng)主要是指由于自然現(xiàn)象或者人類活動(dòng)造成的揚(yáng)塵沉積在登月設(shè)備的表面，從而對(duì)材料表面性能產(chǎn)生影響。沉積效應(yīng)會(huì)降低材料表面的性能；月塵會(huì)污染溫控表面，造成太陽(yáng)吸收率和熱發(fā)射率變化，導(dǎo)致溫控系統(tǒng)故障；月塵會(huì)污染光學(xué)表面，降低透射率等光學(xué)參數(shù)，使光學(xué)儀器性能下降；月塵污染會(huì)造成太陽(yáng)電池陣電池片光電轉(zhuǎn)換效率下降，使太陽(yáng)電池陣輸出功率降低。月面超高真空環(huán)境下，月塵沉積變得十分致密，靜電也會(huì)加重月塵沉積影響(見圖2)。

表1 月塵物理特性

(2) 磨損效應(yīng)。月塵的粒度小、干燥、顆粒形狀尖銳、硬度高，因此月塵可以被看作是一種特殊的“研磨劑”。月塵的這種特性使得與其作任何相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接觸面產(chǎn)生劃痕，尤其是往復(fù)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的表面會(huì)被磨損，甚至造成表面材料或涂層被剝落。宇航員進(jìn)行8 h月面活動(dòng)后，宇航服就變得陳舊。在地面活動(dòng)訓(xùn)練服變得陳舊則需要100 h。宇航服頭盔視窗玻璃由于劃痕，看到的東西變得模糊。地面試驗(yàn)也證實(shí)了細(xì)小塵埃顆粒對(duì)月球車輪具有明顯的磨損(見圖3)。

(3) 阻塞效應(yīng)。月塵附著在活動(dòng)機(jī)構(gòu)的表面會(huì)增加活動(dòng)機(jī)構(gòu)的阻力，有時(shí)甚至發(fā)生卡死現(xiàn)象。幾乎所有的阿波羅探月工程技術(shù)報(bào)告都提到了這一問(wèn)題，問(wèn)題發(fā)生在鎖扣、設(shè)備搬運(yùn)、相機(jī)設(shè)備等上，甚至真空吸塵器也會(huì)發(fā)生問(wèn)題。報(bào)告指出尼龍繩的鎖扣由于月塵的原因變得不能使用，拉鏈也發(fā)生同樣的問(wèn)題。

(4) 滲入效應(yīng)。細(xì)小粉塵極具滲入性。月塵的這種特性不僅危及活動(dòng)的機(jī)械部件，也會(huì)對(duì)航天員的生命支持系統(tǒng)產(chǎn)生危害。阿波羅14曾經(jīng)發(fā)生過(guò)試驗(yàn)儀器開關(guān)失靈的情況，原因就是粉塵進(jìn)入了開關(guān)，并在阿波羅16中作了修改，成功地改善了開關(guān)的防塵效果。

(5) 靜電效應(yīng)。月塵帶電會(huì)使得登月設(shè)備發(fā)生充放電現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備的電子元器件產(chǎn)生影響。帶電月塵的電荷累積可能引起太陽(yáng)電池陣漏電及局部放電，造成太陽(yáng)電池陣工作異常甚至損傷。同時(shí)月塵帶電會(huì)增強(qiáng)月塵的吸附特性，加重污染程度[3-6]。

3 月塵環(huán)境效應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1基于EDEM的月塵顆粒仿真建模

(1) 月塵顆粒形狀建模。如前所述，月塵顆粒形狀極不規(guī)則。利用顆粒圖像分析儀，測(cè)量模擬月塵形狀顆粒，提取其輪廓特征，并用分形維數(shù)理論進(jìn)行建模。在此基礎(chǔ)上，在EDEM中，利用離散元團(tuán)顆粒法[7-9]，建立不規(guī)則形狀月塵顆粒的離散元仿真模型，如圖4所示。

(a) 分形維數(shù)2.2

(c) 分形維數(shù)2.4

(d) 分形維數(shù)2.5

(e) 分形維數(shù)2.6

圖4 不規(guī)則形狀月塵顆粒的離散元仿真模型

(2) 參數(shù)匹配。由于月塵的機(jī)械特性參數(shù)與離散元參數(shù)無(wú)法一一對(duì)應(yīng)，需要進(jìn)行參數(shù)匹配[10]。利用EDEM 專用模塊 Generic EDEM Material Model (GEMM) database，對(duì)月塵的離散元仿真參數(shù)及其與運(yùn)動(dòng)副間作用的離散元仿真參數(shù)進(jìn)行匹配。具體匹配結(jié)果如表2～4所示。匹配步驟如圖5所示。

表2 材料機(jī)械特性參數(shù)

表3 月塵自身接觸屬性參數(shù)

表4 月塵與運(yùn)動(dòng)副接觸屬性參數(shù)

3.2月塵對(duì)運(yùn)動(dòng)副效應(yīng)仿真建模

在月面探測(cè)過(guò)程中，月塵顆粒會(huì)逐漸進(jìn)入探測(cè)器運(yùn)動(dòng)副間隙，在運(yùn)動(dòng)副元素發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中逐漸積累并不斷移動(dòng)，最終可能造成局部載荷過(guò)大甚至出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)副卡死現(xiàn)象。本節(jié)以回轉(zhuǎn)副為例，針對(duì)月塵顆粒對(duì)運(yùn)動(dòng)副影響這一問(wèn)題進(jìn)行離散元仿真，通過(guò)仿真過(guò)程中顆粒的流動(dòng)規(guī)律和各項(xiàng)參數(shù)的變化情況對(duì)月塵顆粒的影響規(guī)律進(jìn)行探究。

(a) 步驟1 選擇設(shè)備尺度

(b) 步驟2 選擇月塵顆粒密度

(c) 步驟3 輸入月塵顆粒堆積角

離散元軟件EDEM支持Solidworks、Pro/E、UG、CATIA等主流三維CAD軟件，對(duì)于復(fù)雜幾何體的建?？梢灾苯訉?dǎo)入CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和仿真計(jì)算。為了對(duì)進(jìn)入月塵顆粒后回轉(zhuǎn)副的運(yùn)動(dòng)特性變化進(jìn)行仿真，采用三維建模軟件Solidworks建立仿真模型如圖6所示，其尺寸定義為孔內(nèi)徑11 mm，軸外徑10.6 mm，軸孔間同軸間隙為0.2 mm。

(a)Solidworks三維模型(b)EDEM幾何體網(wǎng)格劃分

圖6 離散元仿真回轉(zhuǎn)副三維模型

為了更好地利用仿真模擬月塵顆粒進(jìn)入輪軸間隙造成卡死的現(xiàn)象，采用輪軸間隙內(nèi)顆粒完全填充的方式進(jìn)行離散元仿真。創(chuàng)建如圖7所示的顆粒工廠幾何體，將顆粒生成區(qū)域限制在輪軸間隙內(nèi)。顆粒工廠幾何體設(shè)置為虛擬形式，因此，它只對(duì)顆粒生成區(qū)域產(chǎn)生影響，而不會(huì)在仿真過(guò)程中對(duì)顆粒起到位置約束或力約束。

(a)顆粒工廠幾何體(b)顆粒工廠生成

圖7 離散元仿真顆粒工廠

在月塵顆粒的生成過(guò)程中，為了更好地接近實(shí)際情況，同時(shí)將形狀參數(shù)引入仿真中，按照不規(guī)則顆粒分布建模所得到的分布規(guī)律進(jìn)行顆粒工廠生成和顆粒參數(shù)設(shè)置。顆粒生成過(guò)程中，為了保證顆粒堆積足夠密實(shí)，采用圖8所示的方式生成顆粒[11-12]，通過(guò)隨機(jī)填充、自由下落兩個(gè)過(guò)程循環(huán)進(jìn)行的方式多次填充，直至顆粒靜置后無(wú)法再次生成顆粒為止。

對(duì)被調(diào)查學(xué)生的醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)考試成績(jī)進(jìn)行分析，學(xué)生成績(jī)呈正偏態(tài)分布，中位數(shù)為 84.0，P75～P25為 95.0～70.0 分（見圖 1）。

圖8 初始狀態(tài)顆粒生成過(guò)程圖

幾何體和顆粒生成后，對(duì)轉(zhuǎn)軸施加恒定轉(zhuǎn)速度，使得回轉(zhuǎn)副元素發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，觀察顆粒在此過(guò)程中的變化情況，并對(duì)運(yùn)動(dòng)特性相關(guān)參數(shù)的變化曲線進(jìn)行輸出。通過(guò)仿真可以得出月塵顆粒在回轉(zhuǎn)副中的聚集方式以及回轉(zhuǎn)副元素發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中月塵顆粒的運(yùn)動(dòng)情況如圖9所示。

(a)顆粒聚集堆積*b)顆粒局部卡死

(c)顆粒單側(cè)擠壓(d)轉(zhuǎn)軸局部轉(zhuǎn)矩

圖9 月塵顆粒進(jìn)入回轉(zhuǎn)副仿真現(xiàn)象

從圖9可以看出，仿真過(guò)程中月塵顆粒以及運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及受力情況，顆粒在回轉(zhuǎn)副中出現(xiàn)聚集和堆積的現(xiàn)象，局部甚至產(chǎn)生顆粒受力劇增的情況。此外，在回轉(zhuǎn)副元素發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，顆粒會(huì)出現(xiàn)一側(cè)受力較小、另一側(cè)受力較大的單側(cè)擠壓情況。

3.3月塵對(duì)運(yùn)動(dòng)副效應(yīng)分析

在離散元仿真軟件EDEM中，通過(guò)顆粒與顆粒、顆粒與幾何體的接觸檢測(cè)進(jìn)行受力分析和計(jì)算，只有足夠充足的空間和足夠穩(wěn)定的狀態(tài)才能保證顆粒存在于該位置，同時(shí)，在仿真中給定轉(zhuǎn)軸恒定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，因此，無(wú)法通過(guò)離散元仿真模擬真實(shí)的卡死現(xiàn)象。但是，在仿真中可以通過(guò)轉(zhuǎn)矩大小的變化來(lái)表征是否發(fā)生卡死現(xiàn)象，當(dāng)轉(zhuǎn)矩急劇增大，超出電機(jī)輸出額定范圍后，即可認(rèn)為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

綜合以上分析，對(duì)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所受轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化進(jìn)行分析，如圖10所示為回轉(zhuǎn)副元素相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)軸所受轉(zhuǎn)矩(T)隨時(shí)間(t)變化曲線，由于轉(zhuǎn)軸所受轉(zhuǎn)矩為大量顆粒綜合作用的結(jié)果，而顆粒位置、速度、受力等狀態(tài)會(huì)發(fā)生瞬時(shí)變化，故轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線局部有輕微波動(dòng)，但可以呈現(xiàn)轉(zhuǎn)矩整體變化趨勢(shì)。對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行綜合分析，可以看出轉(zhuǎn)軸所受轉(zhuǎn)矩基本呈現(xiàn)周期變化，且轉(zhuǎn)矩峰值基本保持不變；在一個(gè)周期內(nèi)，即轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

圖10 回轉(zhuǎn)副相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)軸所受轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線

對(duì)起動(dòng)初期轉(zhuǎn)矩變化進(jìn)行局部分析如圖11所示，可以看出轉(zhuǎn)軸開始運(yùn)動(dòng)時(shí)所受轉(zhuǎn)矩基本保持在零附近，在轉(zhuǎn)軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩逐漸上升并在達(dá)到峰值后緩慢下降。

圖11 起動(dòng)初期轉(zhuǎn)軸所受轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線

分析原因，初始狀態(tài)下，月塵顆粒均勻分布在軸孔間隙內(nèi)，受力保持平衡，基本不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生作用力矩；隨著轉(zhuǎn)軸的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，月塵顆粒也在摩擦力和離心力的作用下開始運(yùn)動(dòng)，顆粒分布不均衡造成轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩增加并最終達(dá)到峰值，如果此時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩足以克服阻力轉(zhuǎn)矩，則轉(zhuǎn)軸能夠繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，所造成轉(zhuǎn)矩急劇增大的月塵顆粒也會(huì)相應(yīng)移動(dòng)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩開始逐漸下降；如果此時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足以克服轉(zhuǎn)矩峰值，則轉(zhuǎn)軸無(wú)法繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，發(fā)生卡死現(xiàn)象。此外，仿真結(jié)果還表明，在一個(gè)周期內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩急劇增大的情況，且重復(fù)運(yùn)動(dòng)到該位置時(shí)會(huì)再次出現(xiàn)相同的情況，說(shuō)明卡死一旦產(chǎn)生，就不易消除。因此，可以認(rèn)為，月塵顆粒對(duì)運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)特性影響的離散元仿真基本能夠?qū)C(jī)構(gòu)卡死現(xiàn)象進(jìn)行模擬，并預(yù)測(cè)特定輸出轉(zhuǎn)矩下機(jī)構(gòu)是否會(huì)發(fā)生卡死現(xiàn)象。

4 課堂應(yīng)用規(guī)劃

基于上述仿真，擬規(guī)劃開發(fā)“月塵環(huán)境效應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)”，使學(xué)生能夠更直觀地掌握月塵顆粒進(jìn)入運(yùn)動(dòng)副、增大運(yùn)動(dòng)副阻力、進(jìn)而造成運(yùn)動(dòng)副卡死的過(guò)程，從而加強(qiáng)對(duì)月塵環(huán)境效應(yīng)的理解。而且通過(guò)仿真，可以從細(xì)微觀和宏觀兩個(gè)角度理解月塵環(huán)境對(duì)運(yùn)動(dòng)副產(chǎn)生影響的過(guò)程，這是物理實(shí)驗(yàn)所不具備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。而且仿真實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和可操作性，也是物理實(shí)驗(yàn)無(wú)法比擬的[13-15]。

5 結(jié) 語(yǔ)

“月塵環(huán)境效應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)”的成功開發(fā)，為飛行器制造工程專業(yè)的《空間技術(shù)概論》專業(yè)課課堂教學(xué)提供了新的途徑。該方法可以大大降低實(shí)驗(yàn)的技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)成本，提高可行性，同時(shí)增強(qiáng)教學(xué)效果。在后續(xù)工作中，將進(jìn)一步完善仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，拓展仿真實(shí)驗(yàn)功能，并將該方法延伸至其他專業(yè)課的教學(xué)環(huán)節(jié)中，充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的平臺(tái)效應(yīng)，為培養(yǎng)更高層次的專業(yè)人才提供支撐。

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[15] 黃 坪,李紅松,潘克儉,等.基于MOOC的醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014,31(12):104-106.

Design and Development for Simulation Experiment of Lunar Dust Environment and Effect Based on EDEM

HOUXuyan,PANXudong,YUEHonghao,YANJihong,SONGBaoyu，HUANGWentao

(School of Mechatronics Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

The State-level High-end Equipment Manufacturing Virtual and Simulation Laboratory Teaching Center of Harbin Institute of Technology was taken oneself advantages,a simulation experiment of Lunar dust environment and effect was developed based on EDEM in this paper.It serviced for the chapter of "Lunar Environment and Its Simulation Test Technology" in the basic course of Aircraft Manufacturing Engineering.The disadvantages of great difficulty and high cost were also overcome.The students can get clear understanding of the Lunar dust environment and its effect from the simulation experiment.And a new way was provided for the classroom teaching.

virtual simulation; experiment teaching center platform; lunar dust environment; discrete element method

2016-10-25

國(guó)家自然科學(xué)基金面上基金(51575123)資助;黑龍江省高等教育學(xué)會(huì)“十三五”高等教育科研課題重點(diǎn)課題(16Z001);黑龍江省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2016年度重點(diǎn)課題(GJB1316020);黑龍江省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2016年度備案課題(GJD1316008);哈爾濱工業(yè)大學(xué)高端裝備制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺(tái)

侯緒研(1982-),男,黑龍江大慶人,博士，副教授,主要研究方向?yàn)殡x散元仿真技術(shù)。

Tel.：13936647801; E-mail:houxuyan@hit.edu.cn

TP 391.0; G 642.0

：A

1006-7167(2017)07-0086-06