基于應(yīng)力波反射法的模擬月壤特性研究*

□ 田 野 □ 李晨昊 □ 李楠楠 □ 趙 宇 □ 于佳鑫 □ 葛坦龍

哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院 哈爾濱 150028

1 研究背景

我國(guó)是世界上第三個(gè)實(shí)現(xiàn)月球采樣返回的國(guó)家,在探索月球時(shí)發(fā)現(xiàn)了無(wú)法實(shí)時(shí)辨識(shí)鉆進(jìn)采樣對(duì)象的問(wèn)題[1-2]。

應(yīng)力波反射法在錨桿無(wú)損檢測(cè)、樁身缺陷分析、鉆進(jìn)對(duì)象識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用,通過(guò)低應(yīng)變反射波可進(jìn)行樁基檢測(cè),在發(fā)現(xiàn)淺層部位信號(hào)異常時(shí)可以清楚識(shí)別淺層缺陷[3-4]。劉飛等[5]建立了鉆桿與月壤相互作用的力學(xué)模型,奠定了鉆桿與月壤相互作用的理論基礎(chǔ)。王曉瑜[6]建立了液壓錨桿鉆機(jī)沖擊鉆進(jìn)的有限元模型,分析了應(yīng)力波的產(chǎn)生、傳遞及沖擊能大小對(duì)鉆進(jìn)效果的影響,驗(yàn)證了應(yīng)力波及沖擊能隨時(shí)間的變化情況與錨桿鉆機(jī)實(shí)際工況相一致。劉剛等[7]提出了一種鉆頭鉆進(jìn)不同介質(zhì)時(shí)的振動(dòng)信號(hào)特征識(shí)別方法,通過(guò)提取和處理特征信號(hào),區(qū)分鉆進(jìn)地層的特性。張建霖等[8]通過(guò)建立樁-土系統(tǒng)力學(xué)模型,提出了考慮樁土相互作用的應(yīng)力波動(dòng)方程特征線解法,應(yīng)用優(yōu)化方法對(duì)樁身缺陷進(jìn)行定量識(shí)別。路明雨等[9]進(jìn)行了地外天體采樣器鉆進(jìn)過(guò)程的仿真分析,得出沖擊機(jī)構(gòu)在沖擊鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)力波的產(chǎn)生、傳遞,以及鉆進(jìn)碎巖效果。李文[10]采用鉆進(jìn)響應(yīng)特性來(lái)識(shí)別巖體特性,基于鉆進(jìn)動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)開(kāi)展了巖體的鉆進(jìn)響應(yīng)特征研究,獲取鉆桿中的應(yīng)力波,作為響應(yīng)特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

基于鉆進(jìn)對(duì)象的特征辨識(shí)經(jīng)驗(yàn),可以采用沖擊鉆具與應(yīng)力波反射法相結(jié)合的方式,對(duì)模擬月壤的特性進(jìn)行辨識(shí)。筆者將數(shù)值模擬與鉆進(jìn)試驗(yàn)相結(jié)合,通過(guò)建立應(yīng)力波反射法有限元模型,進(jìn)行仿真試驗(yàn),分析不同工況條件下的月壤反射波特性,研究鉆具中應(yīng)力波的傳播規(guī)律,并根據(jù)鉆具中反射波的時(shí)域特性,來(lái)區(qū)別鉆進(jìn)對(duì)象的不同工況。

2 應(yīng)力波反射法

應(yīng)力波反射法廣泛應(yīng)用于樁基檢測(cè)、沖擊辨識(shí)等領(lǐng)域。將應(yīng)力波反射法應(yīng)用于月壤特性識(shí)別時(shí),可以結(jié)合沖擊鉆桿對(duì)鉆進(jìn)對(duì)象的特性進(jìn)行識(shí)別[7]?；羝战鹕瓑簵U試驗(yàn)裝置主要由動(dòng)力加載裝置、試驗(yàn)桿系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。測(cè)試時(shí),試件放置于入射桿和透射桿之間,通過(guò)動(dòng)力加載裝置對(duì)撞擊桿進(jìn)行加速,撞擊入射桿產(chǎn)生的應(yīng)力波沿桿傳遞,經(jīng)入射桿、試件、透射桿、吸收桿,最后由阻尼器吸收。當(dāng)撞擊桿加速后對(duì)入射桿產(chǎn)生沖擊時(shí),在入射桿和透射桿中將產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力,此時(shí)應(yīng)力在彈性變形的彈性體中以波的形式向前傳播。入射波作用在不同模擬月壤上,將產(chǎn)生透射波和反射波,如圖1所示。通過(guò)對(duì)反射波數(shù)據(jù)的接收、放大、濾波等處理,可以識(shí)別出不同特性模擬月壤的反射信息。

▲圖1 應(yīng)力波傳遞

霍普金森壓桿試驗(yàn)基于一維應(yīng)力波理論進(jìn)行,入射桿與模擬月壤界面的動(dòng)態(tài)力P1為:

P1=AE(εi+εr)

(1)

透射桿與模擬月壤界面的動(dòng)態(tài)力P2為:

P2=AEεt

(2)

入射桿與模擬月壤界面的速度v1為:

v1=c(εi-εr)

(3)

透射桿與模擬月壤界面的速度v2為:

v2=cεt

(4)

式中:E為桿的楊氏模量;A為桿的截面面積;c為桿中一維應(yīng)力波的傳播速度;εi為入射波應(yīng)變幅值;εr為反射波應(yīng)變幅值;εt為透射波應(yīng)變幅值。

3 仿真建模

基于有限元方法分別建立撞擊桿、入射桿,以及采集透射波所需要的透射桿的三維模型。根據(jù)試樣大小建立模擬月壤試樣的三維模型。桿系參數(shù)見(jiàn)表1,沖擊試驗(yàn)桿系統(tǒng)有限元模型如圖2所示。

表1 桿系參數(shù)

均質(zhì)模擬月壤試樣密度為1 500 g/m3,彈性模量為108 MPa,泊松比為0.32。初始條件包括撞擊桿速度和測(cè)量點(diǎn)位置,撞擊桿的初始沖擊速度分別設(shè)為1 m/s、2 m/s、5 m/s。

4 模擬結(jié)果

模擬月壤顆粒是疏松多孔的孔隙材料,由顆粒骨架和孔隙組成。顆粒間為點(diǎn)接觸,各個(gè)顆粒緊密連接成土骨架。不同沖擊速度下入射桿中的應(yīng)力曲線如圖3所示。

▲圖2 沖擊試驗(yàn)桿系統(tǒng)有限元模型

▲圖3 不同沖擊速度下入射桿中應(yīng)力曲線

由圖3可以說(shuō)明,在不同沖擊速度條件下,入射波產(chǎn)生的應(yīng)力隨著沖擊速度的增大而增大,在平穩(wěn)階段后產(chǎn)生一個(gè)峰值,隨后減小并趨于平穩(wěn)。反射波產(chǎn)生的應(yīng)力峰值也隨沖擊速度的增大而增大,應(yīng)力由平穩(wěn)階段逐漸增大,達(dá)到峰值后呈現(xiàn)振蕩,隨后減小。

5 模擬月壤沖擊試驗(yàn)

試驗(yàn)采用分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置,如圖4所示。試驗(yàn)采用的撞擊桿、入射桿、透射桿尺寸參數(shù)與仿真模型桿系參數(shù)相同。為滿(mǎn)足霍普金森桿一維應(yīng)力假設(shè)及應(yīng)力均勻性假設(shè),采用φ39.1 mm×20 mm試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)。

針對(duì)探月工程月球次表層鉆進(jìn)取心采樣任務(wù),共制備四類(lèi)模擬月壤,分別為均質(zhì)模擬月壤、模擬月巖、模擬臨界尺度顆粒,以及含水率10%的模擬含水月壤。四類(lèi)模擬月壤如圖5所示。

將四類(lèi)模擬月壤制成可供霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置使用的試樣。月壤是一種低阻抗材料,一般認(rèn)為應(yīng)力波必須在試樣內(nèi)部反射三四次,才能保證試樣應(yīng)力平衡。為延長(zhǎng)入射波幅值增大時(shí)間,設(shè)計(jì)了波形整形裝置,在入射桿與撞擊桿之間加裝較軟的墊片,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)入射波的過(guò)濾作用,延長(zhǎng)入射波幅值增大時(shí)間,使試樣有足夠的時(shí)間達(dá)到應(yīng)力平衡。

▲圖4 霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置

▲圖5 模擬月壤

根據(jù)霍普金森壓桿試驗(yàn)原理,彈性應(yīng)力波傳播到試樣表面會(huì)壓縮試樣,試樣的形狀發(fā)生變化被壓縮。試樣兩端的變化會(huì)導(dǎo)致貼在入射桿和透射桿上的電阻應(yīng)變片中金屬絲長(zhǎng)度和橫截面積產(chǎn)生變化,采用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀記錄電阻應(yīng)變片兩端電壓隨時(shí)間的變化,來(lái)得到材料中應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系。應(yīng)用霍普金森壓桿試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件,可以得到采用四類(lèi)模擬月壤時(shí)入射桿中應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系和入射桿中應(yīng)力波波速與時(shí)間的關(guān)系,分別如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可以看出采用不同模擬月壤時(shí)入射桿中應(yīng)力波的傳播規(guī)律,并且不同模擬月壤的沖擊反射波有明顯差異。對(duì)比桿系中應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系和波速與時(shí)間關(guān)系,可以區(qū)分模擬月壤特性,為無(wú)人自主鉆取采樣工作中鉆具底端月壤的識(shí)別提供參考。

▲圖6 入射桿中應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系

▲圖7 入射桿中應(yīng)力波波速與時(shí)間關(guān)系

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)理論分析、仿真模擬和試驗(yàn),得到兩方面結(jié)論。

比較仿真結(jié)果,不同工況下模擬月壤的入射波基本一致,說(shuō)明仿真結(jié)果重復(fù)性強(qiáng),仿真模型可靠。均質(zhì)模擬月壤反射波衰減較小,模擬月巖反射波衰減較大,說(shuō)明不同模擬月壤的波阻抗率不同,可以利用反射波特征對(duì)不同月壤進(jìn)行辨識(shí)。

根據(jù)應(yīng)力波在不同模擬月壤中的傳播情況,可以分辨出應(yīng)力波波速大小,基于一維應(yīng)力波傳播理論,可以對(duì)不同月壤特性進(jìn)行辨識(shí),即可以通過(guò)應(yīng)力波不同的波速來(lái)區(qū)分鉆進(jìn)對(duì)象的特性。

筆者的研究為月壤的辨識(shí)提供了參考。