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基于触探方式的月壤临界尺度颗粒堆积工况的参数辨识

2020-12-08阅读(449)

基于触探方式的月壤临界尺度颗粒堆积工况的参数辨识

论文摘要

我国嫦娥五号月球探测器采用钻进方法对月球次表层土壤进行采样,而广泛分布于次表层中的临界尺度颗粒极易在钻进过程中积聚在钻头下方形成的聚积区,对钻进产生不利影响,如钻头磨损加剧、取心率降低、卡钻、跳钻等故障工况,导致月球采样任务的失败。该种工况产生时其力载参数表现与钻进岩石堵钻工况类似,仅用回转力载参数无法准确辨识,只能停机通过冲击钻进模式识别,并采用具有针对性的钻进工况予以解决,以避免对采样钻进任务造成不利影响。基于虚土桩理论建立在冲击作用(触探方式)下钻杆与月壤相互作用模型,采用分离变量法,在频域内得到任意载荷下作用下钻杆顶端位移频域响应及钻杆顶端速度频域响应的严格解析解。分析三种典型工况下被测对象参数对钻杆顶端频域响应的影响及钻杆参数变化时被测对象参数钻杆顶端速度频域响应的影响。对三种典型工况进行模拟冲击试验并采集数据,基于快速傅里叶变换处理数据得到频谱及功率谱。采用频谱分析对理论与单次冲击试验结果进行对比,三种工况下钻杆顶端速度频域响应理论曲线与实验结果轮廓曲线趋势一致,验证理论的可行性和准确性。通过多次冲击试验分析试验结果功率谱上峰值点的物理规律,选取能有效表征工况的频率值特征指标;发现模拟临界尺度颗粒堆积工况时功率谱密度幅值峰值点表现出一定的规律性,与均质模拟月壤及模拟月岩工况显出不同,其峰值点随着冲击频率不同而不同,且随着冲击频率增大功率谱密度幅值峰值点个数逐渐减小直至出现独峰。开展临界尺度颗粒堆积层变参数时的多次冲击试验,分析堆积层厚度及密度对钻杆顶端速度频域响应特性的影响,并提取有效表征堆积工况的频率特征,作为辨识特征识别临界尺度颗粒堆积工况。本文利用触探方式提出基于钻具反馈参量的辨识方法,提取钻具遇到不同被钻对象时的信号特征,有效辨识被钻对象的类型,识别因临界尺度聚积导致的极限工况。对临界尺度颗粒堆积工况的参数进行辨识研究,补充了识别因临界尺度颗粒置换不良而引起的钻进状态故障的方法空白,为我国月球钻取采样的可靠性及钻进取心效能提供理论依据。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  •   1.1 课题背景及研究的目的和意义
  •     1.1.1 课题背景
  •     1.1.2 研究的目的和意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 月壤颗粒大小对钻取采样影响的研究
  •     1.2.2 钻取采样故障工况识别的研究
  •     1.2.3 基于钻杆振动识别被钻对象方法的研究
  •   1.3 本文主要研究内容
  • 2 临界尺度颗粒堆积工况产生机理及辨识原理
  •   2.1 临界尺度颗粒堆积机理
  •   2.2 临界尺度颗粒堆积工况辨识原理
  •   2.3 冲击作用下钻杆与月壤相互作用模型
  •     2.3.1 计算简图及基本假设
  •     2.3.2 钻杆与月壤相互作用振动控制方程
  •   2.4 定解问题求解
  •     2.4.1 钻具底部月壤层振动问题求解
  •     2.4.2 钻杆振动问题求解
  •   2.5 堆积工况参数辨识的试验方法
  •     2.5.1 试验方法概述
  •     2.5.2 试验数据采集
  •   2.6 本章小结
  • 3 钻杆顶端频域响应特性分析
  •   3.1 典型工况下钻杆顶端频域响应
  •     3.1.1 均质模拟月壤工况
  •     3.1.2 模拟月岩工况
  •     3.1.3 模拟临界尺度颗粒堆积工况
  •   3.2 钻杆变参数时钻杆顶端频域响应
  •   3.3 本章小结
  • 4 触探试验及单次冲击试验结果分析
  •   4.1 试验台搭建
  •     4.1.1 试验台结构及运行原理
  •     4.1.2 冲击机构简述
  •   4.2 试验设计
  •     4.2.1 试验方案设计
  •     4.2.2 试验样本制备
  •   4.3 单次冲击试验结果分析
  •     4.3.1 单次冲击试验结果重复性验证
  •     4.3.2 典型工况试验结果分析
  •   4.4 本章小结
  • 5 典型工况功率谱特征分析及堆积工况的参数辨识
  •   5.1 钻杆固有频率模态分析
  •   5.2 典型工况频域特征辨识
  •     5.2.1 均质模拟月壤工况频域特征
  •     5.2.2 模拟月岩工况频域特征
  •     5.2.3 模拟临界尺度颗粒堆积工况频域特征
  •     5.2.4 功率谱对比分析
  •   5.3 8Hz冲击频率下堆积层变参数时功率谱分析
  •     5.3.1 堆积层厚度对功率谱的影响
  •     5.3.2 堆积层密实度对功率谱的影响
  •   5.4 堆积工况参数特征辨识拓展
  •     5.4.1 8Hz上下频率冲击下参数特征辨识
  •     5.4.2 模拟临界尺度颗粒堆积工况的参数辨识
  •     5.4.3 试验方法拓展
  •   5.5 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 苑攀攀

    导师: 田野,马超

    关键词: 参数辨识,堆积工况,临界尺度颗粒,触探,钻具振动

    来源: 哈尔滨商业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

    专业: 天文学,航空航天科学与工程

    单位: 哈尔滨商业大学

    基金: 国家自然科学基金(面上)项目41772387“基于颗粒置换效应的钻取负载动力学行为及原位月壤力学参数辨识”

    分类号: V476.3;P184

    DOI: 10.27787/d.cnki.ghrbs.2019.000275

    总页数: 77

    文件大小: 7706K

    下载量: 42

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