模拟月壤力学性质的试验和仿真研究.pdf

第26卷增刊航天器环境工程 2009午1 2月 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 曼量曼曼蔓釜曼皇釜曼曼曼I --,; ,向树红(北京卫星环境工程研究所,北京100094) 摘要:文章通过常规3轴试验对某模拟月壤的本构特性进行了研究,根据3轴试验结果获得了模拟月壤的 ,,并进行了相应的试验验证。之后,文章就内摩擦角、粘聚力参数变化时模拟月壤剪切变形关系的变化及低围压下自重应力对模拟月壤性质的影响进行了仿真分析,结果发现和内摩擦角、粘聚力等参数相比, 初始自重应力对模拟月壤的剪切特性影响不大. 关键词:模拟月壤;月球车;非线性弹性;;有限元中图分类号::+3:; 文献标识码:A l 引言自从20世纪60年代起,国外已经发射多个月球车对月球表面的月壤进行了大量的研究,也采回了月壤样品。目前各国根据月壤样品分析结果和月壤在线测量结果模拟制备了多种月壤,如JSC一1、 MLS一1、、、,国内也有多家单位进行了模拟月壤的研制,但是对于模拟月壤本构特性的研究还处于起步阶段。掌握模拟月壤的力学性质的对于确保月球车在月面上安全着陆、行走、探测、取样等有着重要的意义,因此有必要对模拟月壤的力学性质开展深入的研究。基于土木工程数值分析中常用到的Duncan. Chang本构模型,文章用UMAT子程序在 ABAQUS软件平台上进行了模拟月壤数值分析, 开展了粘聚力和内摩擦角等参数变化对模拟月壤剪切特性影响的仿真分析。结合月球特殊环境的影响,也开展了低围压下重力环境对模拟月壤本构特性的影响研究。除此之外,经过试验验证, 发现该模型能较为准确地反映模拟月壤的剪切特性。 2模拟月壤的选择由于康庄砂七在土壤分类时属于松砂型,其成分近似月壤,所以选用康庄砂土作为模拟月壤,其主要的性能参数见表1。表1模拟月壤参数模拟月壤编号 0014 成分康庄砂土含水率比重y ∥cm3 3 ‘11 1963年,Kondner在试验中得出了三轴试验中土壤的应力应变关系,其曲线近似于双曲线关系‘21,如图1所示,其应力应变关系表达为仃,一巳2上a+bs。式中:a、b为试验参数;q为轴向应变;q为最大主应力;吒为最小主应力。当毛一00时,则有 b=——二一, (2) (q—03)。lI 式中:(q—q)。lI为(q一吒)的渐进值。根据切线弹性模量的定义,有弘掣2丽a。 as. (以+6￡)2 当q=0时的切线弹性模量Ei为初始切线弹性模量,由(3)式得 a=——。巨 2 航天器环境工程 2009年第26卷增刊根据试验资料, 间存在如下关系 Janbu提出了Ei和围压o-3之虑,其模量由下式确定巨=弛阿切线体积模量为¨B只斟㈣ k蝴阿∽, (5) k=K只l专j’ 02’其中:‰、nut分别为卸载再加载时的模量系数和模量指数。(6) ,:K为模量系数;n为模量指数