针对SPH方法的月壤数值模型分析研究.pdf

NanjingUniversity of Aeronautics and Astronautics The GraduateSchool College of Energy and Power Engineering Extra terrestrial drilling: Numerical analysis of a bio-inspired solution A Thesis in Aerospace Mechanicsand Avionics By MA Chao Advised by . WU Tieying Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering February, 2011 承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。作者签名: 日期: 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘要伴随着国际新一轮的探月热潮,新的探索手段和探测工具的研发逐步受到重视。欧洲空间局(ESA)与若干大学合作,率先尝试模仿某种树蜂的产卵过程来研发一种新型的太空钻孔装置。本论文紧随这一研究动态,着力于为钻孔装置建立星壤的数值模型,尤其是月壤模型,为将来利用该模型进行钻孔过程的数值模拟、最终优化钻孔装置的设计做基础研究和技术支持, 以期对我国的探月工程提供预研和参考。在构建月壤数值模型和进行钻孔模拟的过程中,本文主要采用SPH方法(Smoothed Particle Hydrodynamics)在LS-DYNA中进行数值研究,并辅以相应的对比实验。为了先易后难,逐步完善该数值材料模型,本文首先对某型沙子进行大量的实验研究和数值分析,确定了该沙子数值模型的基本参数设置,并验证了SPH方法模拟大变形和大位移等复杂非线性过程的稳定性, 进而类比该过程取得了月壤数值模型的相关设置,最后对仿生钻孔装置的钻孔过程进行了初步的数值模拟。在本文进行材料模型研究的具体工作中,首先是对SPH方法的理论研究,然后对沙子分两期做了压入和拔出等触探实验,共采用五个不同的触探头,记录了压入和拔出过程中触探头的受力曲线;与此同时,在分析了LS-DYNA中各个材料模型的特性和影响因素后,本文选取了最优的材料模型并在其基础上构造了沙子的数值模型,进行了触探头压入和拔出过程的数值模拟并和实验数据进行了对比,优化并完善了该材料模型;最终,根据公开发表的月壤触探实验数据,本文将完善后的沙子模型优化改进为能反映月壤特性的月壤模型,并用其对已有的仿生钻头的钻孔过程进行了初步模拟。关键词:光滑粒子流体动力学,SPH方法,数值模拟,月壤模型,触探实验,岩盖模型基于SPH方法的月壤数值模型研究 ii ABSTRACT With the global-wide newly arisen focus of lunar exploration, more and more attention has been attached to the investigation of new exploring skills and instruments. In this background, ESA has launched one research project for a kind of newinnovative extra-terrestrialdrilling device, which is inspired by the ovipositional process of a certain kind of wood article is consistent to this researchorientation,aims at buildingthe numerical material model for regolith, lays the fundamental basis afterwards and supplies a research techniquefor drilling device design. During the process of regolith model evolution and drilling sim