月壤钻进取心过程钻具热特性研究

我国探月三期工程采用回转冲击钻对月表月壤进行预计深度为2米的采样作业，采样过程中钻头由于钻削产生的切削热完全由钻具本身导热传递。由于月球的超高真空度以及苛刻的温度环境，导热效率相较于地面钻探低。同时，由于钻进工况的未知性，钻具可能会形成局部高温区域，这会使钻具的整体性能降低，尤其对钻具的取心性能影响最大。通过EDEM软件，建立不同形状及颗粒大小的月壤颗粒微元模型，组成月壤仿真模型，基于高温小颗粒群法，开展钻进过程月壤热特性仿真研究，研究温升颗粒的分布规律，并根据这一分布规律建立温升颗粒数量与温升之间的关系式。另外，在模拟月壤钻进实验中，在原有的取芯钻具上补充若干温度测量点，通过光纤光栅传感技术，开展钻具热特性实验研究，获得了钻头不同位置区域的温升规律，以及回转转速、进给速率对钻具温度的影响规律。温升颗粒数量模型以及常规热特性实验均能实现钻具温升情况的预测，为后续钻具在拟实月球环境及恶劣工况下的热安全性研究提供依据。     

冲击驱动机构中凸轮廓线选择对运动的参数影响

为了提高月壤中临界尺度颗粒的钻进取心效率,月壤采样机构中增加了冲击破碎功能,用来配合钻头回转钻进,辅助破碎提取月壤颗粒。该文对月壤取心钻进系统中的冲击驱动机构进行了结构分析,着重研究了冲击凸轮廓线选择对冲击运动参数的影响。对比了单一五次多项式、摆线运动规律、改进型五次多项式和摆线运动规律凸轮廓线对单次冲击功的影响,为冲击钻进驱动机构设计提供相关参考。     

探针法测量月壤温度的可靠性分析

建立了月表辐射条件下探针和月壤组成的多层介质内二维非稳态导热模型.采用非均匀网格,数值模拟了月壤和探针间的耦合热效应,分析了探针所表征月壤温度的可信度.结果表明,因初始条件不同,探针插入后和月壤互有影响,其中探针对月壤的影响范围及时间有限.由于月壤深度方向上温度梯度的影响,探针不同位置的温度值不同.月壤的弱导热性导致探针的温度值与月壤的存在偏差,且差值并不一定随测量时间的增长而变小.     

冲击载荷下炭素糊料的位移特性研究

针对炭素糊料冲击压实过程中位移特性研究的不足,以离散介质力学为基础建立了冲击载荷作用下糊料动力压实的离散元方程,分析了时间步长和阻尼参数的选取,并对糊料压实变形过程进行了数值模拟.通过离散元模拟糊料颗粒的相互作用,获得了在冲击载荷作用下粘性糊料的位移分布特征及其速度场、应力场的变化情况,计算结果与试验结果具有一致性.研究结果表明:在冲击载荷作用下,糊料的压实程度主要受其竖向位移对影响,压实作用集中在锤头下方的糊料体上.     

凝聚器扰流区的流场特性

利用计算流体动力学软件,分别采用k-ε模型、大涡模拟模型、离散相模型模拟凝聚器扰流区流场时均参数、流场瞬时参数与颗粒运动轨迹。结果表明,扰流柱具有很好的扰流效果,可以使不同粒径颗粒的运动轨迹发生明显的交叉现象,增大颗粒碰撞概率;流速越大,扰流区阻力越大;流场中存在明显的涡街脱落现象,各扰流柱主要能量涡街的脱落频率相同,Strouhal数约为0.22。     

转载点物料颗粒运动的数值模拟

为了分析转载点物料颗粒运动过程、颗粒之间、颗粒与边界之间的相互作用及运动过程中的能量变化,采用基于离散元方法的颗粒流代码(PFC3D)程序,建立了输送机头部的离散元模型,针对颗粒流的不同速度、滚筒前有无挡板,进行了物料颗粒运动的数值模拟.通过模拟发现:(1)能够很好地跟踪固体颗粒的运动过程(任意颗粒的位置、速度、平均接触力以及平均不均衡力),平均接触力的最大值随着颗粒速度的增加而增加,而平均不平衡力变化不大;(2)跟踪能量历程可以观察颗粒运动过程中各种能量的变化,其中动能的变化最为明显,且挡板设置只对动能、摩擦能与应变能有影响.     

非规则外形内聚颗粒模型的构建及其破碎能分析

考虑矿石的非规则外形、内部不同组分及其之间的力学特性,基于离散元数值分析方法、离散元软件EDEM及其二次开发,构建一种多尺度非规则外形内聚颗粒模型;利用颗粒模型在剪切挤压破碎机中对矿石破碎过程的破碎能耗特性进行分析。结果表明,破碎能与剪切挤压破碎机的加载方式有密切关系,在内锥振动频率一定时,外锥的转速越快,破碎能越大;外锥转速一定时,内锥振动频率越高,破碎能越大;矿石破碎越多,破碎能越大;矿石破碎速度越大,破碎能增长越快;矿石破碎速度减少,破碎能随之减小。     

最优应力波形下的冲击机械冲锤部件的反演设计及参数优化

 受空间环境下月壤采样机构能源供给的限制,本文立足于一般的冲击机械模型,假定岩土动态加载刚度一定的情况下分析比较了不同形式入射波形对岩土介质作功过程中能量传递效率情况;以实现最优指数应力波形为目标,基于一维波动力学理论及δ(t)函数法对冲锤部件的波阻抗进行反演设计,并使用正解计算和有限元仿真的方法验证反演设计的正确性;运用假设脱离法分析了冲锤与击杆之间的受力及运动状态,分析了冲锤几何外形无量纲参数影响下能量传递效率和冲锤冲击效率的变化规律并计算相关的最优参数。     

基于CFD-DEM耦合的导向钻头井底岩屑运移特性分析

为了探究旋转导向钻具在导向钻进过程中井底岩屑运移规律,采用计算流体动力学和离散单元法耦合算法(CFD-DEM)建立描述井底钻井液与岩屑颗粒复杂两相流动的模型,运用有限元软件与离散元软件分析旋转导向钻具井底岩屑颗粒的运动学特性;探讨旋转导向钻头偏置角度、钻井液流速、钻头转速、岩屑颗粒粒径对井底岩屑颗粒运移特性的影响规律。结果表明：提高转速与钻井液流速,岩屑颗粒的运移速度随之增大,对于井底岩屑颗粒的运移起到正反馈的作用,可提高井底清洁度;岩屑颗粒粒径的增大会减小岩屑颗粒的运移速度,当岩屑颗粒的直径大于3 mm时,岩屑运移速度减小更加明显;旋转导向钻具钻头偏置会导致井底空间结构的变化,岩屑颗粒动能和钻井液水力能量也会削弱,最终会加剧钻头磨损,产生泥包等。     

考虑含石量和坡度不同组分下颗粒流冲击刚性结构的力学模型研究

桥梁箱梁结构在土石混合体滑坡或者崩塌灾害冲击下受损破坏现象较为普遍,而含石量和坡度是影响箱梁结构冲击和破坏的重要因素。因此,采用离散元素法(DEM)模拟不同含石量和坡度作用下刚性结构的动力响应。结果表明:含石量越大,坡度越大,颗粒流的动能耗散率耗时越短,冲击力越大;含石量对冲击力的影响程度比坡度小;土石耦合作用要比细颗粒土或块石颗粒单独作用对法向力影响大;基于模拟结果构建土石混合体冲击刚性结构的力学模型,推导出冲击力及其作用距离方程。为验证构建的力学模型的可靠性,将模型冲击力计算结果与Jiang模型、Adel模型及模拟结果进行对比发现模型的冲击力计算结果与模拟结果基本吻合。研究结果可为该类灾害的防治提供参考。     

月面采样钻具锁合随动式限幅机构研究

中国探月三期工程将采用无人探测器开展月面采样探测,利用中空外螺旋钻具开展预计深度为2 m的连续钻取采样。在轨作业期间,航天器发射段和飞行段产生的随机振动负载及钻具在采样过程中存在的横向负载等附加负载会引起钻杆挠曲变形,严重时可能会导致钻取采样作业失败。在不修改取芯钻具的前提下,参考地面油田钻井工程中的相关技术,提出了一种月面采样钻具锁合随动式限幅机构。该机构主要由主支撑架、对接锁合组件和钢球锁释组件组成。在限幅机构工作过程中,其主支撑架在钻杆的中部位置提供外部支撑,减小由于飞行振动引起的挠曲变形,当钻具钻进一定深度后,对接锁合组件和钢球锁释组件实现锁合与解锁的功能,并随钻具同步向下进尺,为钻具后续的钻进动作提供空间。通过有限元分析手段,对限幅机构的强度和刚度进行校核与分析。通过试验件研制以及地面钻取采样试验验证可知：锁合随动式限幅机构作为外部支撑,能提高中空外螺旋钻具的刚度,且不会影响钻取采样的正常作业过程。研究结果表明锁合随动作业方式与当前取芯钻具的配合程度较好,提高了钻取采样作业性能及其可靠性,为完善我国探月三期工程钻取采样系统提供了参考。     

基于离散元法的双组份复合涂料搅拌螺杆参数优化

为了提高双组份复合涂料的混合均匀度，对搅拌螺杆的参数进行优化。以混合销钉式搅拌螺杆为对象，建立其三维模型后导入EDEM软件，然后基于离散元法对双组份复合涂料在该搅拌螺杆中的搅拌过程进行仿真分析，研究了螺杆的转速、螺距和长径比对混合均匀度的影响。最后通过单轴压缩实验对螺杆参数优化后的搅拌效果进行了对比验证。结果表明：螺杆转速、螺距和长径比分别通过改变颗粒抛撒程度、螺旋叶片间隙和螺杆长度来影响复合涂料的混合均匀度；稳定出料后，螺杆转速为200 r/min、螺距为80 mm、长径比为5.57∶1时的搅拌效果最佳；实验验证了利用优化后搅拌螺杆搅拌时复合涂料的力学性能优于手工搅拌时的。研究结果可为自动化搅拌螺杆的结构设计和参数优化提供理论依据。     

自钻自攻螺钉与不同基材连接节点抗拉拔承载力试验与理论研究

螺钉与基材连接节点的力学性能是大跨金属屋面研究的关键问题之一,可靠的连接节点是确保屋面抗风安全的重要组件之一。开展了碳钢螺钉与铝基材(CSA节点)、不锈钢复合螺钉与铝基材(SSA节点)、不锈钢复合螺钉与钢基材(SSS节点)三类节点共360组样本试验研究,分析了三类节点的损伤失效模式,揭示了抗拉拔承载力的参数影响规律,建立了节点承载力设计计算公式。结果表明：两种钻入方式下三类节点均呈现螺钉与基材共同承载、到二者咬合处产生损伤变形行为、再到螺钉被拔出基材的失效模式,节点抗拉拔能力依次为SSS节点、CSA节点、SSA节点;基材厚度、螺钉直径和螺距均对节点承载力产生影响,尤以基材厚度和螺距最为显著,同等条件下改变螺距对三类节点承载力的影响最高达94.54%;所提三类节点承载力设计计算公式与试验结果吻合度良好。     

Numerical study of the interfaces of 3D‐printed concrete using discrete element method

3D concrete printing is an additive manufacturing method which reduces the time and improves the efficiency of the construction process. Structural behavior of printed elements is strongly influenced by the properties of the material and the interface surfaces. The printing process creates interface surfaces between layers in the horizontal and vertical directions. The bond strength between layers is the most critical property of printed elements. In this paper, the structural behavior of printed elements is studied using the discrete element method. The material is modelled using discrete particles with bonding between them. A new discrete model of a multilayer geometry is presented to study the behavior of the interfaces of printed concrete. The layers are made up of randomly placed particles to simulate the heterogeneous nature of concrete. The numerical model is developed to simulate the flexural behavior of multilayer specimens. A four‐point flexural test is simulated considering the interface surfaces between layers. This numerical model provides relevant results to improve the behavior of this kind of structural elements. The aim of this work is to provide a discrete element model to predict the mechanical behavior of 3D concrete printed components.     

基于越障的月面巡视探测器路径规划成本评估

通过理论分析和实验对月面巡视探测器基于越障的路径规划成本评估进行了研究,综合考虑安全性、能量损耗和时间损耗等因素提出评估方案,从多条路径中选出最优路径.基于越障的路径规划成本评估在搜索算法规划路径的基础上,研究月面巡视探测器的可跨越性,综合考虑多种因素的影响,对路径进行成本评估.     

A modified agglomeration kernel model used for particle agglomeration

Particle agglomeration in turbulent flows is an extremely complex process, and comprehensive study is beneficial to the development of turbulent agglomeration technology. The effects of vortex generator structure on particle agglomeration were investigated based on a combined computational fluid dynamics (CFD) and discrete element method (DEM) approach, including the geometric size, spanwise pitch, longitudinal pitch, row number, arrangement and form of the vortex generator. A dimensionless parameter K (the ratio of vorticity to strain rate, abbreviated as K) was defined to evaluate the agglomeration ability of the vortex generator, and the traditional agglomeration kernel function was modified by adding a correction coefficient α (agglomeration efficiency). By comparing the traditional agglomeration model and the modified agglomeration model with the experimental results, it showed that the modified agglomeration kernel model can simulate a result closer to the real agglomeration process.     

硬质合金台阶钻结构参数及钻削工艺参数对CFRP开孔性能的影响

基于VMC850B立式加工中心和UltraPAC超声C-扫描仪,搭建了碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)钻削试验平台,探讨了台阶钻结构参数及钻削工艺参数对CFRP钻削过程中的钻削轴向力和分层因子的影响。结果表明,钻削工艺参数对第一段钻削轴向力影响较大,台阶钻结构参数对第二段钻削轴向力的影响较大;分层因子的大小与第一段钻削轴向力和第二段钻削轴向力有关,当第一段和第二段直径比d/D0.5时,分层因子主要与第一段钻削轴向力有关;减小分层的优水平组合为第一段直径2.8mm,第二段锋角95°,主轴转速7000r/min,进给速度2.5mm/s。     

Characterization and discrete element simulation of grading and shape-dependent behavior of JSC-1A Martian regolith simulant

Granular regolith simulants have been extensively used in the preparation of space missions to test rovers and scientific instruments. In this work, the physical and mechanical properties of the JSC-1A Martian regolith simulant (MRS) are characterized using conventional and advanced laboratory techniques. Particle images are obtained using X-ray computed tomography, from which particle shapes are characterized through a series of imaging processing techniques and are further used to generate irregularly-shaped numerical particles. The characterized particle size distribution and irregularly-shaped numerical particles are incorporated into a discrete element model to simulate grading and shape-dependent behavior of the JSC-1A MRS. The developed discrete element model is calibrated and validated against laboratory direct shear tests. Simulations without the consideration of particle shapes and simulations with a rolling resistance contact model are also performed to investigate the effect of particle shapes on the behavior of the JSC-1A MRS.     

Experimental and numerical studies on the determination of twist drill temperature in dry drilling: A new approach

In this paper, the influences of the spindle speed and feed rate on the drill temperature responses have been investigated. A new experimental approach was developed to measure drill temperature in drilling process. Drill temperatures were measured by inserting standard thermocouples through the coolant (oil) hole of TiAlN-coated carbide drills. Experimental parameters used in the study has based on Taguchi’s method. Experimental study was conducted by using two different workpiece materials, AISI 1040 steel and Al 7075-T651. The drill bit temperature was predicted using a numerical calculation with Third Wave AdvantEdge^TM Lagrangian based on explicit finite element analysis software. The results obtained from experimental study and finite element analyses (FEA) were compared. Good agreement between the measured and analyzed temperature results was found in dry drilling process.