浅层月壤铲挖动力学建模和应用研究.pdf

Classified Index: V443+.4 .: Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering DYNAMICS MODELING AND APPLICATIONS OF EXCAVATION FOR LUNAR REGOLITH Candidate:Liang LeiSupervisor:Prof. Zhao YangAcademic Degree Applied for:Doctor of EngineeringSpeciality:Astronautics Science and Technology Affiliation:School of Astronautics Date of Defence:June, 2014 Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology万方数据摘要- I - 摘要随着我国深空探测任务,特别是嫦娥三期工程的顺利开展,浅层月壤采样成为了当前航天领域的重要研究内容。由于月面1/6重力环境及月壤颗粒间范德华力对月壤力学特性的影响,使得月面环境下的浅层月壤铲挖动力学特性不但难以通过地面试验进行模拟,也无法直接利用传统的铲挖阻力经验公式进行计算。因此,为了深入了解采样器在月壤中的运动阻力及两者间的耦合动力学特性,降低最大铲挖阻力和总能耗,提高柔性采样机械臂的铲挖控制精度,本文在结合已有国内外研究成果的基础上,推导了浅层月壤铲挖阻力公式,并采用离散元法对铲挖阻力参数和月壤流变参数进行回归分析,建立月面环境下的铲挖工程模型,用以实现对不同采样方式下的浅层月壤铲挖动力学分析和应用工作。为了解决1/6重力环境下月壤力学特性的分析和计算问题,本文在离散元仿真框架下,通过建立带范德华力的粘-弹颗粒接触关系的离散元模型,利用多输出最小二乘支持向量机(SVM)及自适应遗传算法,以当前已公开的真实月壤地面三轴试验数据为参数标定依据,实现对能够表征月壤宏观力学性质的离散元等效细观参数进行标定,最终建立了浅层月壤离散元模型。切削是铲挖过程中的一个重要动作。在浅层月壤铲挖过程中,采样器侧板对月壤进行切削,实现样本月壤与原位月壤的分离。为解决浅层月壤的切削阻力预测问题,本文利用静止土压力理论及Kostritsyn切削阻力理论,分别对切削过程中月壤预应力和挤压变形恢复力导致的侧板压力进行分析,并依据上述分析成果建立平行、直立两种切削模式下的浅层月壤纯切削阻力的计算模型。针对不同月壤基本参数,即不同平均粒径、孔隙率和级配下的浅层月壤具有不同静止土压力系数、变形比阻和外摩擦系数的特点,本文采用离散元法开展了侧限压缩试验和机-土摩擦试验,建立了月壤基本参数与上述宏观力学参数间的回归模型。在此基础上,通过对比月壤切削模型预测结果和月壤离散元仿真结果,验证了切削计算模型的正确性和精度。推移是铲挖过程中的另一个重要动作。在浅层月壤推移过程中,采样器铲平面带动月壤向铲挖方向整体运动,实现样本与采样器的随动。为解决浅层月壤在不同运动模式下的推移阻力预测问题,本文结合Rankine被动土压力理论和水平层分析法,建立了针对铲平面整体平移、顶点转动两种模式下的铲面阻力分布方程组,并针对该方程组在DFP求解算法中的不具有全局初值收敛性的特点,提出了DFP+遗传算法的求解方法,实现对铲面阻力分布万方数据哈尔滨工业大学工学博士学位论文- II - 及月壤滑移线形状的求解,最终建立月壤推移阻力的计算模型。针对不同基本参数的浅层月壤具有不同抗剪强度的特点,本文采用离散元法开展了静三轴试验离散元仿真,建立了月壤基本参数与月壤内聚力、内摩擦角间的回归模型。在此基础上,通过对比月壤推移模型和月壤离散元仿真得出的阻力分布结果,验证了推移计算模型的正确性和精度。在实际铲挖过程中,铲斗形状、铲前堆积月壤量、月壤基本参数均会影响对月壤的铲挖阻力。本文对铲挖全过程中铲斗、月壤状态进行分析,并基于Hemami铲挖阻力理论,综合考虑铲挖过程中的切削阻力、推移阻力和月壤滑移体惯性力,建立铲挖全过程中的月壤阻力预测工程模型。在此基础上,以凤凰号上采样器基本结构参数为例,设计独立采样器算例对月壤采样过程进行分析,基于最小阻力和最小功耗分析铲抬模式下的最佳切入角,并分别计算旋刨模式和铲抬模式下的全过程采样阻力变化,分析两模式在不同月壤条件下的适用性。除铲挖阻力外,铲挖过程中的变铲挖阻力还会导致铲斗与斗内月壤间的耦合振动问题。本文引入土壤流变理论,利用离散元动三轴试验得出的并联Iwan模型对时变铲挖力造成的月壤激励响应进行研究,实现对月壤机-土耦合作用的分析,最终建立考虑机-土耦合的浅层月壤铲挖动力学模型。在此基础上,分析机械臂