月壤大顆粒對鉆進力載影響的仿真及實驗研究

龐勇 馮亞杰 孫啟臣 賴小明 王海元 陳錫寶 梁杰能 劉天喜

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月壤大顆粒對鉆進力載影響的仿真及實驗研究

龐勇1,?馮亞杰2孫啟臣1賴小明1王海元1陳錫寶1梁杰能3劉天喜3

1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司, 北京 100090; 2.北京大學(xué)工學(xué)院, 北京 100871; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院, 哈爾濱 150000

采用離散單元法(discrete element method, DEM)和實驗方法, 研究用螺旋鉆具鉆取月壤的過程中, 月壤內(nèi)部大顆粒位置和構(gòu)型對鉆進力載特性的影響。通過 DEM 方法和實驗方法研究結(jié)果的對比分析, 明確了 DEM 方法在鉆取動力學(xué)中的局限性及有效性, 發(fā)現(xiàn)鉆進過程中碰到大顆粒時的典型力載特征及影響大顆粒有效撥開的關(guān)鍵因素是表面形態(tài)。

DEM 方法; 月壤; 鉆取; 大顆粒; 鉆進力載

目前, 國際上掀起一股深空探測熱, 中國也制定了探月“三步走”計劃。探月三期計劃的主要任務(wù)是實現(xiàn)月面樣品采樣返回, 其中鉆取采樣是實現(xiàn)月壤樣品采集的方式之一。月面鉆取采樣是采用中空螺旋鉆具鉆入月面, 實現(xiàn)對中心的月壤取樣。月面采樣對象的特性對采樣任務(wù)影響很大, 特別是鉆具碰到大顆粒時會產(chǎn)生很大的力載變化, 嚴重時可能導(dǎo)致鉆進壓力和扭矩超過系統(tǒng)驅(qū)動能力; 另外, 無法撥開的大顆粒堵住進樣通道, 導(dǎo)致中心的月壤無法進入鉆具, 從而無法取樣。美國和前蘇聯(lián)鉆取月壤的實踐表明, 取樣結(jié)果并不是隨深度連續(xù)的[1], 鉆進過程中遇到大顆粒是造成非連續(xù)效果的重要原因。

國際上對月壤鉆取動力學(xué)的研究方法包括有限元法、離散單元法(discrete element method, DEM)及實驗方法。龐彧等[2]采用有限元模型對鉆具鉆進月壤的過程進行仿真分析, 他們假設(shè)月壤為彈塑性材料, 塑性屈服準(zhǔn)則采用土力學(xué)中的Drucker-Prager 模型, 得到鉆壓力以及扭矩呈周期性變化的結(jié)論。Quan 等[3–4]基于有限元, 系統(tǒng)地研究了鉆頭附近土壤的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力分布。有限元方法沒有描述月壤類材料鉆取過程中的流變力學(xué)性質(zhì), 因此無法準(zhǔn)確地把握月壤鉆進力載的特性。Wei 等[5]、候緒研等[6]及謝宇明等[7]采用 DEM 方法對鉆取過程做了仿真研究。雖然各研究團隊 DEM 仿真中的顆粒接觸模型不完全相同, 但得到的鉆壓以及扭矩均隨鉆進深度的增加而增加, 并深入研究了相關(guān)力載與鉆桿螺距、轉(zhuǎn)速的關(guān)系, 但 DEM 方法仿真結(jié)果均未與實驗結(jié)果進行對比。事實上, 實驗得到的力載值與DEM 仿真結(jié)果相差很大。Mellor[8]基于實驗結(jié)果, 將螺旋排粉過程等效為一個質(zhì)點沿粗糙斜面的運動,進而對鉆桿螺旋通道內(nèi)顆粒碎屑的動力學(xué)行為進行分析。Zhang 等[9]對 Mellor 模型做了修正, 在實驗基礎(chǔ)上分析螺旋排粉的力學(xué)性能參數(shù)。田野等[10]、劉飛等[11]和 Tang 等[12]在地面進行實驗, 歸納分析了鉆具構(gòu)型對螺旋鉆取性能的影響。實驗方法能真實地展示月壤鉆取動力學(xué)的力載規(guī)律, 但缺失內(nèi)部細節(jié), 其分析模型常建立在很多假設(shè)的基礎(chǔ)上。綜上所述, 單一的有限元法、DEM 方法及實驗方法開展月壤鉆取動力學(xué)分析均有較大的缺點。

月壤中存在大顆粒時比均質(zhì)月壤的鉆取動力學(xué)過程更復(fù)雜。目前, 僅劉天喜等[13]采用 DEM 方法對月壤中大顆粒運行軌跡及其對采樣的影響做了研究, 但未進行力載特性分析及實驗驗證。作為月壤鉆取過程中可能存在的大風(fēng)險工況, 大顆粒工況對月壤鉆取過程有較大的影響。

本文圍繞大顆粒構(gòu)型及方位等因素, 采用 DEM方法與實驗方法研究鉆取過程。結(jié)合兩者優(yōu)勢, 圍繞工程關(guān)注焦點, 系統(tǒng)地分析月壤中大顆粒對鉆進力載的影響及可有效撥開的關(guān)鍵因素。

1 DEM建模

因 DEM 方法可以描述顆粒材料的動力學(xué)性質(zhì), 所以本文采用三維離散元軟件 EDEM 對月壤鉆取過程進行仿真。圖 1 為模型的示意圖, 整個系統(tǒng)包括鉆具、大顆粒、均質(zhì)月壤細顆粒及月壤桶。盛放顆粒的月壤桶采用底面直徑為 100mm, 高為 250mm 的圓柱。均質(zhì)月壤細顆粒的幾何參數(shù)和材料參數(shù)如表 1 所示。

顆粒之間接觸作用的描述采用如下的 Hertz-Mindlin 接觸模型。在法向和切向作用中均考慮了阻尼, 同時, 切向還需考慮 Coulomb 摩擦作用。

圖1 鉆具鉆取大顆粒過程模型示意圖

Fig. 1 Sketch of the model during drilling into large granular rocks

表1 DEM模型顆粒的幾何參數(shù)和材料參數(shù)

實際月壤顆粒的粒徑遠小于 1mm, 單個顆粒非圓形, 顆粒之間接觸過程也比較復(fù)雜。若采用實際尺度, 計算量會大大增加, 以至無法計算。所以, 本方法結(jié)果無法直接得到大顆粒對鉆進力載影響的量化結(jié)果, 但相關(guān)結(jié)果可用于對鉆進力載特性趨勢的分析, 結(jié)合實驗結(jié)果, 可以分析大顆粒狀態(tài)下的力載特性。

2 大顆粒對鉆進力載影響的 DEM 仿真分析

本文仿真采用的鉆頭直徑為 35mm, 大顆粒直徑為 20mm; 設(shè)置鉆具中心軸與大顆粒中心軸的距離分別為0, 7, 9, 11, 13, 15 和 19mm; 鉆進參數(shù)采取回轉(zhuǎn) 1000rpm–進尺 6000mm/min, 保證 DEM 仿真能正常鉆進取樣且快速計算參數(shù)。鉆具鉆取月壤的力載由鉆頭力載和鉆桿力載兩部分疊加而成。鉆具受到的總的鉆壓力和扭矩也由兩部分的鉆壓力和扭矩分別合成。在月壤鉆取過程中, 鉆頭和鉆桿兩部分所起的作用不同, 所以分解后的鉆頭和鉆桿力載變化規(guī)律能夠反映大顆粒被撥動過程中的內(nèi)在規(guī)律。

圖 2 表示直徑為 20mm 的大顆粒處于不同位置時的鉆壓力變化規(guī)律?？梢钥闯? 鉆頭和鉆桿上的壓力變化規(guī)律存在明顯的差異: 1)鉆頭上的壓力隨著深度的增加而單調(diào)增加, 鉆桿上壓力隨著鉆進深度的增加單調(diào)減小; 2)鉆桿上的壓力對大顆粒與鉆具中心初始位置的距離不敏感, 而鉆頭上的壓力變化曲線出現(xiàn)了分叉。

鉆頭鉆壓力隨著鉆進深度的增加越來越大, 可以解釋如下: 隨著鉆進深度的增加, 鉆頭下方月壤受到的靜水壓力越大, 鉆頭需要將月壤和大顆粒擠開的力也越大, 該部分力是鉆頭鉆壓力的主要貢獻部分。對鉆桿來說, 隨著鉆進深度的增加, 鉆桿受到的摩擦力越來越大, 由于螺紋的自攻效應(yīng), 回轉(zhuǎn)扭矩轉(zhuǎn)化為鉆進力, 因此鉆進深度越大, 鉆桿上壓力越小。鉆頭下方大顆粒與鉆具中心軸線的距離對鉆桿壓力影響很小, 原因如下: 顆粒沿著鉆頭徑向發(fā)生的偏移, 不會影響鉆桿的排粉量, 因此不對鉆進壓力產(chǎn)生影響。鉆頭下方的大顆粒會阻礙鉆頭向下運動, 其位置會顯著地影響鉆頭上的鉆壓力。大顆粒初始徑向偏移距離≤7mm 時, 顆粒被鉆頭向中心撥動, 后續(xù)大顆粒一直堵在鉆頭下方, 鉆壓力上升很快; 當(dāng)大顆粒初始徑向偏移距離>7mm 時, 大顆粒被鉆頭向外擠, 很容易被撥開, 鉆壓力也基本上隨著深度而線性增加。因此, 徑向偏移 7mm 位置應(yīng)為分叉點。因為鉆頭直徑為 35mm, 所以該分叉點位于該鉆頭直徑的 1/5 處。

圖 3 表示直徑為 20mm 的大顆粒處于不同位置和深度時的扭矩變化規(guī)律。鉆桿上的扭矩與大顆粒的初始徑向偏移距離無關(guān), 但隨著鉆進深度的增加而增大。鉆頭上的扭矩也隨著深度的增加而越來越大。由于 DEM 模型中均選擇球形顆粒, 且模擬的月壤無法達到實際月壤的密實度, 因此鉆頭處扭矩出現(xiàn)較多毛刺狀波動, 而鉆桿扭矩不受大顆粒影響, 不同工況下重合度較好。

圖 4 表示直徑為 20mm 的大顆粒處于不同位置和不同深度時鉆具上鉆壓力和扭矩的變化規(guī)律。從圖 4(a)可以看出, 鉆具上鉆壓力的變化規(guī)律基本上由鉆頭上鉆壓力的變化規(guī)律決定。從圖 4(b)可以看出, 大顆粒對鉆進過程的扭矩?zé)o明顯的影響。

3 大顆粒對鉆取影響的實驗研究

3.1 大顆粒鉆取實驗驗證方法

為準(zhǔn)確地驗證大顆粒對鉆進力載特性的影響, 本實驗在模擬月壤制備過程中定點設(shè)置大顆粒。制備完成后, 通過控制鉆具位置實施定位鉆取。通過驗證可知, 以上方法在無大顆粒的條件下軸心位置偏差為 5mm。實驗方法如下: 1)將模擬月壤鞏筑至準(zhǔn)備設(shè)置顆粒的高度, 其中模擬月壤相對密實度為100%; 2)采用模板確定設(shè)置顆粒的位置(圖 5(a)); 3)在準(zhǔn)備預(yù)設(shè)顆粒的位置挖孔, 按預(yù)定位置將顆粒放置孔內(nèi)并壓實(圖 5(b)); 4)在上方繼續(xù)裝配模擬月壤桶, 并將模擬月壤制備至預(yù)設(shè)高度; 5)模擬月壤制備完成后, 轉(zhuǎn)移至鉆取實驗臺, 并采用模板確定鉆孔位置及月壤桶姿態(tài), 控制鉆具按照事先確定的位置回轉(zhuǎn) 120rpm, 加載 130mm/min 鉆進(圖 5(c)), 其中采用的鉆頭直徑為 35mm; 為保證系統(tǒng)安全, 當(dāng)鉆進拉力超過 400N 時, 鉆進加載停止, 回轉(zhuǎn)不停止; 力載下降后再繼續(xù)以正常鉆進參數(shù)向下鉆進。實驗系統(tǒng)同時測量鉆具整體受到的扭矩以及向下加載實施的拉力(對應(yīng)鉆具的鉆壓力)。

3.2 大顆粒鉆取實驗數(shù)據(jù)及分析

采用不同顆粒, 以不同姿態(tài)和位置放置于鉆頭正下方, 以驗證顆粒構(gòu)型和放置位置對鉆進力載的影響。

圖2 大顆粒在不同位置時鉆頭和鉆桿的壓力

圖3 大顆粒在不同位置時鉆頭和鉆桿的扭矩

圖4 大顆粒在不同位置時鉆具的壓力和扭矩

第一鉆實驗將 3 個顆粒放在同一鉆的不同深度。顆粒均采用大塊新鮮玄武巖經(jīng)機械破碎得到, 表面粗糙(圖 6)。第一顆尺寸為 36mm×26mm×29mm 的較圓顆粒, 放置于鉆頭正下方 0.88m 處; 第二顆尺寸為 42mm×42mm×30mm 的較圓顆粒, 軸心偏移 15mm 放置在 1150mm 處; 第三顆尺寸為 52mm×21mm×31mm 的大斜面顆粒, 以與水平面 75°的夾角放置在 1460mm 深度。

(a)模板與月壤桶定位; (b)顆粒定位填入; (c)鉆取實驗

(a)第一個顆粒; (b)第二個顆粒; (c)第三個顆粒

圖 7 為第一鉆實驗得到的力載曲線?？梢钥吹? 在沒有碰到大顆粒的情況下, 鉆進拉力均值在 100~ 200N 之間, 回轉(zhuǎn)扭矩均值在 6~10N·m。當(dāng)碰到大顆粒時, 拉力和扭矩均會上升。第一個顆粒鉆壓升幅為 60N, 扭矩升幅為 2N·m, 該顆粒也被輕松地撥開, 鉆進過程中未觸發(fā)拉力保護停加載。第二和第三個顆粒均觸發(fā)拉力 400N 保護, 增幅為 150N; 扭矩達到 14N·m, 增幅約為 5N·m。從圖 7(a)中力載隨時間變化的曲線可以看出, 扭矩的峰值超前拉力峰值 3~5s。圖7(b)可以看出, 碰到大顆粒后, 力載上升的峰值區(qū)間為 30~60mm, 等于 1~2 倍的大顆粒直徑。本鉆實驗 3 個顆粒中兩顆為球形, 一顆為斜長形, 顆粒中有被放置于正中心的, 也有被放置于偏移位置的。實驗結(jié)果顯示, 以上顆粒均被正常撥開, 重復(fù)實驗后, 顆粒同樣被撥開。以上結(jié)果說明, 大顆粒被撥開的概率與顆粒姿態(tài)及位置非強相關(guān)。

第二鉆實驗用于驗證顆粒局部形態(tài)對鉆取的影響。將一顆表面較平整的顆粒置于鉆具正下方, 顆粒形態(tài)如圖 8 所示。本鉆預(yù)設(shè)的顆粒尺寸為 36mm× 28mm×24mm, 為鈍形顆粒, 放置于鉆頭正下方0.88m深度的位置。

圖 9 為第二鉆實驗的力載曲線。與第一鉆實驗類似, 鉆進拉力均值在 100~200N 之間, 回轉(zhuǎn)扭矩均值在 6~10N·m 之間。碰到表面平整的大顆粒時, 扭矩均無明顯上升, 但拉力迅速上升, 即使采用停加載, 再次啟動后拉力仍然迅速上升。從圖 8 中鉆取后大顆粒的狀態(tài)可以看出, 該大顆粒未被撥開, 部分被切碎進入取樣區(qū)域, 部分被卡在鉆頭進樣通道處, 阻止后續(xù)進樣。從圖 9 可以看出, 當(dāng)大顆粒堵在鉆頭下方無法撥開時, 力載峰值區(qū)域?qū)?yīng)的區(qū)間小于 30mm, 對應(yīng)值為小于 1 個大顆粒直徑。造成以上現(xiàn)象的原因如下: 面向表面平整的大顆粒, 鉆具向下鉆進過程中對大顆粒施加了較大的壓力, 但扭矩較小, 不能產(chǎn)生足夠大的側(cè)向力來克服顆粒向外側(cè)運移的阻力, 因此無法撥開。在其他實驗中發(fā)生大顆粒被切碎現(xiàn)象時, 取出鉆取后卡在鉆頭部位的顆粒進行分析, 發(fā)現(xiàn)大顆粒表面多為表面平整狀態(tài)。

圖7 第一鉆實驗力載隨時間和鉆進深度的變化

(a)鉆取前形態(tài); (b)鉆取后顆粒處于樣品中部分; (c)鉆取后顆粒卡在鉆頭處部分

圖9 第二鉆實驗力載隨時間和鉆進深度的變化

4 仿真與實驗

4.1 均值力載對比分析

DEM 仿真和實驗得到拉力和扭矩的對比見表2?？梢钥吹? 雖然 DEM 仿真中采用的鉆進深度遠比實驗中大, 但 DEM 方法的計算結(jié)果明顯遠小于實驗值。并且, 從圖 4 可以看出, DEM 方法得到的扭矩隨鉆進深度的增加呈線性增加, 但圖 7 中當(dāng)鉆進深度從 0.8m 變化到 1.5m 時, 平均扭矩從 6N·m 變化到9 N·m。

表2 DEM方法與實驗力載的均值對比

造成以上差異的原因可能是: 1)DEM 仿真過程中, 雖然對顆粒采用施加預(yù)載荷方法進行壓實, 但在目前允許的計算量約束下, 顆粒剛度可選擇范圍小, 且球形顆粒的自鎖效應(yīng)差, 因此無法達到實際的密實度, 導(dǎo)致 DEM 仿真結(jié)果相當(dāng)于松散模擬月壤鉆取結(jié)果; 2)受計算能力限制, 顆粒均選擇半徑為 1mm 的顆粒, 實際模擬月壤顆粒的粒徑主要在 0.1mm 以下, 且形狀復(fù)雜, 因此會造成月壤流變性質(zhì)不一致。

雖然 DEM 仿真結(jié)果與實驗結(jié)果差異很大, 但借用 DEM 仿真結(jié)果, 將鉆具力載分解到鉆頭和鉆桿上, 可以得到鉆頭切削導(dǎo)致的拉力約 200N, 對應(yīng)鉆頭切削月壤導(dǎo)致的扭矩為 4~5 N·m。

4.2 大顆粒對鉆進力載影響的對比

對比圖 2(a)、圖 4(a)和圖 7(b)可以發(fā)現(xiàn), 當(dāng)鉆進到顆粒位置時, 拉力均出現(xiàn)明顯波動; 當(dāng)顆粒被有效地撥開后, 拉力恢復(fù)到正常值。對比圖 2(a)、圖 4(a)和圖 7(b)和圖 9(a)可以發(fā)現(xiàn), 當(dāng)顆粒無法撥開時, 拉力上升幅度比有效撥開時大, 上升速度也快。DEM 方法和實驗均可得到以上規(guī)律。

對比圖 2(b)、圖 3(b)、圖 4(b)和圖 7~9 可以發(fā)現(xiàn), DEM 仿真結(jié)果和實驗結(jié)果的扭矩變化規(guī)律不一致。DEM 仿真中大顆粒對鉆具扭矩沒有明顯影響, 而實驗結(jié)果中大顆粒會導(dǎo)致鉆具扭矩顯著增加。這是由于DEM 仿真只能模擬松散月壤工況。同時, 大顆粒導(dǎo)致鉆具扭矩顯著增加, 也說明鉆進過程中鉆頭力載是鉆具力載的主要部分。

DEM 仿真結(jié)果表明, 顆粒能否被有效地撥開的分叉點位于鉆頭直徑的 1/5 距離處, 但實驗結(jié)果未觀察到此現(xiàn)象。原因主要是 DEM 仿真中, 大顆粒均以球形表示, 鉆頭無法有效帶動球運動, 此過程中離心力不起主要作用, 當(dāng)球的位置偏離鉆頭直徑的 1/5 時, 鉆頭對球的作用方向由內(nèi)轉(zhuǎn)向外; 但是, 實際的大顆粒表面不平整, 鉆頭能有效地帶動顆粒轉(zhuǎn)動, 大顆粒在離心力的作用下更容易被撥開; 當(dāng)大顆粒表面平整, 鉆頭無法有效地帶動時, 不容易被撥開, 從而堵住鉆頭。

5 結(jié)論

本文采用 DEM 仿真和實驗方法, 研究大顆粒對鉆進力載的影響, 得到如下結(jié)論。

1)DEM 方法仿真結(jié)果與實驗結(jié)果在力載量值上有較大差異, 但得到的力載在鉆具內(nèi)部分配關(guān)系以及大顆粒對鉆進力載的影響趨勢與實驗結(jié)果相符合, 具有較大的借鑒作用。

2)鉆具受到的拉力和扭矩主要由鉆頭貢獻, 堵鉆過程中鉆具拉力和扭矩均會迅速增加。

3)表面棱角較多的大顆粒在鉆具下的方位與堵鉆概率的相關(guān)性不大。

4)大顆粒表面形態(tài)對堵鉆有較大影響, 特別是表面平整的大顆粒, 在偏置距離較小時, 不容易被鉆頭撥動, 容易造成堵鉆。

通過 DEM 仿真和實驗方法的結(jié)果對比分析, 首次明確 DEM 方法在鉆取動力學(xué)中的局限性, 但基于 DEM 方法得到的力載規(guī)律, 可在一定程度上指導(dǎo)人們對實驗結(jié)果加深認識。同時發(fā)現(xiàn), 鉆進過程中碰到大顆粒時快速上升的力載特征及顆粒表面形態(tài)是影響大顆粒被有效撥開的關(guān)鍵因素。此研究結(jié)果可有效地支撐我國的深空探測任務(wù)。

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Simulation and Experimental Study on the Effect of Large Granular Rocks in Lunar Soil on Drilling Load

PANG Yong1,?, FENG Yajie2, SUN Qichen1, LAI Xiaomin1, WANG Haiyuan1, CHEN Xibao1, LIANG Jieneng3, LIU Tianxi3

1. Beijing Spacecrafts, Beijing 100090; 2. College of Engineering, Peking University, Beijing 100871; 3. School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute ofTechnology, Harbin 150000

The dynamics of auger drilling into lunar soil with large granular rocks was studied by discrete element method (DEM) simulation and experiment, in which the large granular rocks with different configurations were arranged at different locations. The result of simulation and experiment indicate that the surface morphology is the key factor which controls whether the granular rocks could be removed in drilling process. The result would be an important support for China’s deep space exploration mission.

DEM; lunar soil; auger drilling; large granular rocks; load

10.13209/j.0479-8023.2019.008

2018–04–10;

2018–08–08;

2019–03–12

國家自然科學(xué)基金(11502277, 51475452)資助

?E-mail: py82@163.com

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