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工学硕士学位论文

月壤深层钻取采样钻头结构参数优化

硕士研究生: 唐庭武
导师: 唐德威教授
申请学位: 工学硕士
学科: 机械设计及理论
所在单位: 机电工程学院
答辩日期: 2012 年 7 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index:
: 621

Dissertation for the Master Degree in Engineering

OPTIMIZATION OF STRUCTURE PARAMETERS
OF SAMPLING CORE DRILL
FOR DEEP LUNAR SOIL

Candidate: Tang Tingwu
Supervisor: Prof. Tang Dewei
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Mechanical Design and Theory
Affiliation: School of Mechatronics Engineering
Date of Defence: July, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
我国月面采样技术的目标是实现月壤样品的获取与返回地球,月壤深层钻
取采样对采样机具的功耗和层理信息保持有严格要求。本论文提出了一种复合
式月壤深层钻取采样钻头构型,并根据月面采样技术的任务要求,以切削力和
月壤扰动率小为研究目标,通过理论分析和仿真实验等手段,对月壤深层钻取
采样钻头结构参数进行研究。
首先对月壤的物理力学性能进行研究,并根据目前已经获得的月壤信息,
基于地面的模拟月壤实验结果,推导了月壤抗剪强度指标的理论公式。利用该
公式可以获得任意深度处的月壤的抗剪强度信息,为建立取心钻头旋转切削力
学模型提供了基础。
其次提出了一种复合式月壤深层采样钻头构型。通过对该构型钻头结构参
数的研究,得到了切削具刃尖角对月壤压入过程的影响规律,得出了刃尖角的
设计计算公式。建立了取心钻头旋转切削力学模型,并在此模型的基础上分析
月壤内摩擦角、内聚力、切削角、切削具宽深比和月壤与钻具摩擦角对切削过
程的影响规律,提出了钻头结构参数的合理取值范围。
建立了基于离散元理论的月壤仿真模型和月壤深层钻取采样钻头模型,进
行了月壤深层钻取采样过程仿真。通过对不同结构参数的取心钻头采样过程仿
真,获得了切削角和切削具宽深比等参数对切削力的影响规律,验证了理论模
型的正确性,并在理论和仿真的基础上确定了切削角和切削具宽深比的合理取
值范围。
月壤深层钻取采样要求获取的月壤样品具有一定的层理信息保持性,而层
理信息的变化是由钻头对月壤产生的扰动引起的。因此,本文建立了月壤扰动
率评价函数,并基于该函数分别对切削角、取心钻头内径、底出刃高度等参数
进行了多组仿真实验,分析不同的取心钻头结构参数对月壤扰动率的影响规律,
为取心钻头结构参数的确定提出了设计建议。

关键词:月壤采样钻头;旋转切削;离散元;月壤扰动
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
The goal of China’s Lunar Exploration Program is to drill and sample lunar soil
and return lunar soil to earth. In order to meet the strict constraints of power and the
need of maintaining lunar soil bedding information, posite sampling core drill
is put forward in this paper. Based on the constraints of the exploration program,
cutting force and lunar soil disturbance is regarded as research goals. By the me