浅层月壤铲挖阻力预测与动力学仿真分析

Lunar regolith excavation is an important sampling task in China's third lunar exploration project. Because of the signification effects between low gravity, low atmosphere pressure, drying environment and physical and mechanical properties of lunar regolith, it is difficult to simulate or test the lunar regolith excavation process on earth environment, and it is also hard to use the traditional empirical resistance formula for lunar surface environment. Therefore, to get a grip on the successful lunar regolith sampling task in actual environment, more Soil-Tool interaction resistance regular pattern and dynamic characteristics need researching. In the project, A lunar regolith discrete element model with the same mechanical properties as the real lunar soil will be established by using mechanism analysis and soil gravity experiment, the lunar regolith excavation resistance with different initial conditions in 1/6 gravity environment will be simulated and regression analysis, and the excavation resistance model will be established. The research results can provide the design support for the optimization of the sampler size and excavation scheme, to reduce the total energy consumption of excavating, as well as improve sampling efficiency and success rate.

铲挖式浅层月壤采样是我国探月三期工程中关于月面采样任务的一项重要工作。由于月面低重力、低气压和无水环境对月壤物理机械特性具有显著的影响，使得该环境下的月壤铲挖过程既难以在地面试验中进行精确模拟，也无法直接利用传统的铲挖经验公式进行计算和准确评估。为了保障采样工作能够在实际环境中顺利开展和成功，因此需要深入了解该环境下的采样器机-土运动阻力及耦合动力学特性。本项目拟通过分析低重力环境下的土壤受力及运动机理，结合已有国内外研究成果及土壤重力试验结果，建立与真实月壤力学性质相同的月壤离散元模型，并对1/6重力环境下的不同工况月壤铲挖阻力进行仿真和回归分析，建立该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。研究成果可为浅层月壤采样器结构尺寸及铲挖方案优化提供设计支持，进而降低铲挖总能耗，提高月壤采样率，提高任务成功率。

本项目针对铲挖式浅层月壤采样过程中的采样器机-土运动阻力及耦合动力学特性进行深入的理论分析、仿真和试验验证，对月面1/6重力环境及月壤力学性质下机构在浅层土壤中的切削、推移过程及相应的土壤力学行为机理进行研究。利用带色散力的粘-弹颗粒接触本构关系，结合真实月壤三轴压缩试验数据，构建了符合月壤抗剪特性的浅层月壤离散元模型，编制的仿真程序可实现对浅层月壤铲挖过程中月壤动力学行为以及机-土耦合关系的动态仿真。采用静止土压力理论及Kostritsyn切削阻力理论，分别对月壤切削过程中由于月壤预应力和挤压变形恢复力导致的侧板压力进行多工况仿真分析，建立平行、直立两种运动模式下的浅层月壤切削阻力模型，并通过试验对比，验证了切削阻力模型的正确性和精度。采用Rankine被动土压力理论和水平层分析法，构建了针对铲平面平移、绕轴转动两种模式下的铲面阻力分布方程组，利用DFP+遗传算法方法，求解了铲面阻力分布及月壤滑移线形状，建立了月壤推移阻力计算模型，并通过平移试验验证了推移计算模型的正确性和精度。采用Hemami理论，综合考虑铲挖过程中的切削和推移阻力，以及铲挖过程中逐步形成的月壤滑移体惯性力，建立铲挖全过程月壤阻力预测模型，并设计旋刨和铲抬两种铲挖运动形式，分析在不同月壤条件下的力学响应并试验验证。在此基础上，考虑土壤流变特性对月壤阻力预测模型的影响，对时变铲挖力引起的月壤激励响应进行研究，建立考虑机-土耦合的浅层月壤铲挖动力学模型，验证了模型的有效性，初步探索了基于铲挖动力学模型的原位月壤未知参数估计方法，以及对机械臂铲挖过程中轨迹跟踪控制精度的影响。