模拟月球表层采样机土耦合力学模型研究

Moon exploration is an important embodiment of comprehensive strength in Chinese multiple area. Current researches about lunar sampling are focused on deep sampling, which has complex mechanical structure and sampling process that result in highly failure rate. By comparison, surface sampling is more flexible and efficient, but lack of theoretical research. This project aims to establish a theoretical model on lunar surface sampling with a consideration of machine-soil coupling and lunar soil disturbance. Firstly three groups of basic modules, including motion, equipment and lunar soil mechanics, will be built in the model based on modular and function concept. Through the combination of basic modules from three groups, accurate theoretical definition of different lunar surface sampling model under different conditions would be established and analyzed respectively. Secondly, since the lunar soil is extremely vulnerable to disturbance, the lunar soil disturbance characteristics with its mechanical properties change rule during the sampling process will be analyzed on the basis of physical experiments and Discrete Element Method (DEM) simulation. And this regulation will be integrated into the established mechanics model. Finally, in order to acquire the optimization design of lunar surface sampling under different conditions, writing the program by using the established model and large-scale calculation with the program are necessary. The lunar surface sampling mechanical model build in this project, will provide a more efficient, flexible and accurate analytical theory, which has both theoretical and practical value for Chinese lunar sampling design.

月球探测是我国在各个领域综合实力的重要体现。当前在月球采样领域中的研究侧重于深层采样，但因其机械结构和采样工艺复杂导致故障率高。相比之下表层采样方式灵活，更有效率，但还缺乏相关的理论研究。本项目拟建立考虑扰动条件的模拟月球表层采样的机土耦合力学模型。该模型首先以模块化、函数化的思想分别构建运动、机具、月壤力学三大基本模块群，通过基本模块的自由组合，可针对不同条件下不同表层采样方式进行准确的理论定义分析；其次，针对月壤极易受到扰动的特点，本项目拟基于物理试验和离散元仿真分析相结合的方式，对采样过程中月壤的扰动特征及其力学性质的变化规律进行分析归纳，并融入建立的力学模型中；最后，将该模型编写相关计算机程序进行规模化计算，初步建立不同条件下表层采样方式的优化设计体系。本项目拟建立的月球表层采样力学模型将为我国月球采样领域提供一种更加高效、灵活、准确的分析理论，具有重要的理论意义和应用价值。

作为深空探测的首个试验场，月球探测对我国众多科学领域的研究存在着毋庸置疑的引领和驱动作用。随着“嫦娥计划”开展与实施，我国月球探测即将执行的是无人自动采样与返回的任务。在月球表层采样设计中，月壤独特的物理力学特征不可忽视。同时由于不受运动空间限制，采样机具和运动方式的选择灵活多变，如何从中进行最优选择是表层采样设计的一大难题。基于此，本项目以模块化为核心思想建立了用以计算表层采样机具所受反力的机土耦合理论模型，并通过试验和模拟进行了验证。. 本项目提出的模型包含运动、机具和月壤力学三大基本模块群。运动模块群主要作用是定义整个采样运动的三维轨迹，其基本模块为三维匀速直线运动和三维匀速圆周运动。机具模型群以平板和弧形板为基本模块，这两种基本模块具备统一的结构参数，通过给予不同的赋值即可实现相互自由转换。力学模型群以计算机具与月壤接触点的受力为目标，将接触点简化为六面体结构，来自各面的轴向和切向接触力构成了基本模块。实际进行采样设计时，通过运动模块群和机具模块群可计算采样过程中任意时刻采样机具与月壤所有接触点的坐标，通过力学模型群的计算将所有接触点的受力叠加进而完成整个机具采样反力的计算。. 项目首先基于离散元数值模拟构建了三种能达到类似力学性能的简化模拟月壤颗粒，并对其各自性能进行了系统的研究。同时基于二维模拟实现了对基本模块扰动范围和力学性能变化的预测。其次基于CUG-1A型模拟月壤也进行了物理试验，试验数据不仅证明了项目提出的模块化理论可行，同时证明了离散元模拟和本项目理论模型计算的正确性。. 基于模块化的思想，本项目提出的理论模型能够通过各基本模块间的自由组合实现对多种表层采样运动的受力分析，不仅能够为实际月球表层采样方案和将机具的优化设计提供理论依据，降低可能发生的事故和风险，增强了探月工程所需的准确性和可靠性，同时还对未来可能的其他地外星体采样提供一定的参考价值，具有重要的理论意义和应用价值。