对小型采样器的铲挖参数进行优化设计
对小型采样器的铲挖参数进行优化设计
0、引言
铲挖式月壤采样是对月探测活动中收集浅层月壤的重要手段。铲挖过程中，月壤对采样器存在
阻力作用，其大小由月表重力、月壤力学特性和采样器结构共同决定。受探测器尺寸、铲挖驱
动功率的影响，月壤采样器多采用小型化设计。为了高效、快速、低能耗地实现对月壤的收
集，需要利用完善的铲挖阻力解析模型，对小型采样器的铲挖参数进行优化设计。
各国学者对铲挖阻力模型进行了大量的研究和试验，从土壤失效、颗粒流等不同方面对土壤挖
掘阻力进行了细致分析。1964 年，OsmanM 等人提出曲线失效面的概念，建立了 Osman 模
型，该模型精度较早期广泛使用的直线失效面模型提高很多;Gill/VandenBerg 模型在前者基础
—上添加了土壤惯性力与内聚力，同时对机 土摩擦力进行了简化;Swick/Perumpral 模型与
McKyes 模型，又分别针对二维推土板与土壤的切割过程，给出了铲挖阻力的不同数学表达
式;Lockheed-Martin/Viking 模型，针对斗轮式挖掘装置，提出了铲挖阻力与铲挖速度之间的非
二次方关系的铲挖阻力方程。上述五种模型采用二维简化模型分析了其铲挖阻力。为考虑铲斗
侧壁在铲挖过程中的切割和摩擦效应，一些学者也建立了三维铲挖阻力经验模型，典型代表有
以下两种:(1)Hemami —模型，将铲挖阻力分为斗内土壤重力、土壤压缩阻力、机 土滑移摩擦、
推移切割阻力、土壤移动惯性力、铲挖斗移动惯性力等六种分力;(2)Balovnev 模型，在前者基
础上将公式中的推移切割阻力进行了进一步细化。
但是，由于成因及所处环境不同，月壤的力学性质与地面土壤存在较大的差异，导致传统的地
—面铲挖模型无法直接用于预测月壤的铲挖阻力。同时，对于目前研究月壤 机构交互作用中常
采用的数值分析方法，由于计算量极大，也较难用于开展参数优化工作。因此，本文利用与真
—实月壤应力 应变试验结果相吻合的浅层月壤离散元模型，对月表环境下的月壤抗剪强度和弹
塑性本构参数进行了分析，并将分析结果引入到基于 McKyes 模型和 Kostritsyn 公式的铲挖阻
力模型中，建立了浅层月壤铲挖阻力预测模型。在此基础上，针对深空探测器机构小型化、轻
量化的设计需求，本文基于预测模型对小型浅层月壤采样器的铲挖参数关系进行了研究，在综
合考虑月壤铲挖阻力和收集速率的条件下，利用自适应遗传算法对不同铲宽参数下的最优铲挖
角和最优铲挖深度进行了计算。
1、月壤力学性质研究
1．1月壤抗剪特性
基于线刚度颗粒接触理论定义月壤散体颗粒，利用文献中的月壤离散元细观参数，建立月壤离
散元模型。
根据表1建立轴向长度12mm，宽度和高度均为6mm 的月壤离散元模型，定义月表重力加速度
g=1．63m/s2，设置围压σw 并对月壤模型施加轴向应力，开展微型静三轴试验仿真。由于月表
无大气，且所铲挖月壤均为浅层预应力较小的月壤，故σw 较低。分别设计 σw 为
35kPa、50kPa、65kPa、80kPa 和95kPa 共5种工况，对各工况下的月壤模型开展三轴压缩试
验。保持轴向应变速率为 0．003%/min，仿真结果如图 1所示。
对上述 5 —种围压下的月壤应力 应变曲线进行分析，利用月壤发生剪切破坏时的大、小主应
—力，基于莫尔 库仑强度理论计算月表环境下的浅层月壤抗剪强度如表2所示。
1．2月壤泊松比
在月壤三轴压缩试验中，定义εV 为月壤体应变，εz、εw1 和εw2 分别为月壤轴向应变和两个
横向应变，有 εV=εz+εw1+εw2(1)由于三轴试验中 εw1 和εw2 基本相等，定义υ为月壤泊松
比，于是有 υ=－εV－εz／2εz(2)利用图1所示5 —种围压下的月壤应力 应变曲线对 υ进行计
算。将月壤初始压缩阶段，即轴向应变 εz=0．5%时的 εV 代入式(2)中，并对所有工况的计算结
果取平均值，得月壤泊松比 υ=0．549。
1．3月壤弹塑性本构
月壤具有弹塑性，其本构关系可通过一系列具有不同屈服极限的弹簧元件和摩擦元件所组成的
Iwan 机械模型进行描述，如图 2所示。
定义N为弹塑性元件总数，Ej 为元件 j的弹性模量，εj 为元件 j的屈服应变。对各弹塑性元件
按屈服应变值的大小顺序递增排列，定义σm 为月壤所受应力，当σm 的加载作用导致月壤产
生应变 εm 时，有
式中:m 为月壤所受应力为 σm 时，发生屈服的弹塑性元件数量，m {1∈，2 …， ，N}。
在一定的应变范围内布置N个弹塑性元件。上述 N个元件各自的屈服应变取值均匀分布在设定
的月壤应变范围内并逐个递增。根据式(3)，分别建立 m为1到N时的月壤弹塑性本构模型并
联立，有 σ=(εp+εe)E(4）式中:应力阵σ=［σ1，σ2 …， ，σN］T，弹性模量阵E=［E1，E2，
…，EN］T，εp 为塑性应变阵，εe 为弹性应变阵。εp 和εe 如式(5)、式(6)所示。
用动三轴试验方法确定各应力阵σ，进而实现对弹性模量阵E的求解。以 1．1节中月壤模型
为仿真试验样本，保持围压30kPa，并对月壤施加轴向应力，开展微型动三轴试验仿真。设计
施加在月壤轴向的正弦型应力为 σf，有 σf(t)=Asin(2πt/T)+σd(7)式中:σd 为偏压固结轴向应
力，T为应力周期，A为应力幅值。
对月壤施加σd=50kPa 的偏向固结压力，轴向动应力 σf 周期T为50s。加载过程分为 4级，每
级各加载5个周期，各级幅值A分别为 1kPa、2kPa、3kPa、4kPa。仿真结果如图 3所示。
根据图 3仿真结果，移除月壤动三轴应变累积值，并定义σf 各级第 3 —周期的动应力 动应变曲
线为参考回滞圈，根据各回滞圈顶点的动应力和动应变幅值，绘制月壤骨干曲线如图 4所示。
根据图 4的月壤骨干曲线，定义弹塑性元件总数N=14，分别对 14 个元件的屈服应力 σ进行计
算，并将其代入到式(4)中，求解得浅层月壤弹性模型的弹性模量阵E如表3所示。
将E代入式(3)中，定义y为月壤正应变，当y为加载特性时，有月壤正应力 σ=I(E，y)=［ε1，
…，εm，y …， ，y］E(8)式中:ε1 …， ，εm 为应变小于 y的弹塑性元件屈服应变。
同理，定义ζ为剪应变，将月壤泊松比 υ代入式(8)中，得月壤剪应力 τ，有 τ=I(G，ζ)=I（E/
2(1+υ)，ζ）(9）
2、月壤铲挖阻力预测模型
2．1铲挖阻力分析
—受月壤重力、月壤抗剪强度和机 土摩擦作用的影响，采样器铲斗在工作过程中会存在铲挖阻
力。
如图 5所示，月壤铲挖阻力由铲斗侧壁切削阻力 F和底面推移阻力 T组成。设计铲斗牵引速度
方向保持水平，铲挖全过程中，铲斗底面与水平面保持铲挖角β并沿牵引方向对月壤产生推移
作用;铲斗侧壁在铲挖全程与水平面保持垂直并沿牵引方向对月壤进行纯切削。
摘要：
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对小型采样器的铲挖参数进行优化设计0、引言铲挖式月壤采样是对月探测活动中收集浅层月壤的重要手段。铲挖过程中，月壤对采样器存在阻力作用，其大小由月表重力、月壤力学特性和采样器结构共同决定。受探测器尺寸、铲挖驱动功率的影响，月壤采样器多采用小型化设计。为了高效、快速、低能耗地实现对月壤的收集，需要利用完善的铲挖阻力解析模型，对小型采样器的铲挖参数进行优化设计。各国学者对铲挖阻力模型进行了大量的研究和试验，从土壤失效、颗粒流等不同方面对土壤挖掘阻力进行了细致分析。1964年，OsmanM等人提出曲线失效面的概念，建立了Osman模型，该模型精度较早期广泛使用的直线失效面模型提高很多;Gill/Van...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
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时间：2023-02-26
