基于三维离散元方法的月壤表面采样过程仿真-高辉

1-1号直流电机；2-电动推杆； 3-2号直流电机；4-主体盒； 5-上金属罩；6-2号旋转编码器； 7-位移传感器；8-1号旋转编码器
1-电动推杆；2-位移传感器； 3-振动发生装置；4-振动吸纳盒
地面物理试验校核与验证
现场实物照片
地面物理试验校核与验证
离散元仿真过程回放
离散元模拟挖取动作
运动角度，°
不同粒径模拟月壤挖取动作对比
5mm
10mm
6.5mm
45.00 48.62 52.23 55.85 59.46 63.08 66.70 70.31 73.93 77.54 81.16 84.78 88.39 92.01 95.63 99.24 102.86 106.47 110.09 113.71 117.32 120.94 124.55 128.17 131.79 135.40 139.02 142.63 146.25 149.87 153.48 157.10 160.71 164.33 167.95 171.56 175.18 178.79
模拟月壤自然堆积
表取采样过程仿真的实现
模拟月壤细观参数校核
参数类 型 参数 参数值
建立数字月壤物理模型
粘聚力（kPa）
内摩擦角（°）
4.2
24.6 1128 56.1 2.547
设定模拟月壤的细观力学参数
宏观
容积密度（kg/m3） 孔隙率（%） 颗粒比重
执行模拟圆筒贯入试验
法向刚度系数（ N/m ）1033 切向刚度系数（ N/m ）1033 细观 颗粒间摩擦系数 颗粒半径（mm） 法向粘性阻尼系数 切向粘性阻尼系数 0.25

Visual C++ 2005开发环境 OpenGL开放图形库 OpenMP多处理器并行运行库——》GPU 基于DEM离散元理论的LAMMPS（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator ，大规模分子/原子并行仿真器）
仿真结果分析与讨论
不同重力环境分析（2）
35 地球重力 30 月球重力 25 切入阻力，N 20 15 10 5 0
切入位移，mm
地月环境铲取切入阻力仿真对比
仿真结果分析与讨论
不同重力环境分析（3）
270 240 210 180 贯入阻力，N 150 120 90 60 30 0 0.00 2.00 5.33 8.67 12.00 15.33 18.67 22.00 25.33 28.67 32.00 35.33 38.67 42.00 45.33 48.67 52.00 贯入位移，mm 地球重力 月球重力

通过对每个单元的细观运动进行跟踪计算，即可得到整 个研究对象的宏观运动规律，以及所有单元在任意时刻 的速度、加速度、角速度、角加速度、线位移和转角等 物理量。
表取采样过程仿真的实现
模拟月壤建模
表取采样过程仿真的实现
模拟月壤建模
表取采样过程仿真的实现
模拟月壤建模
表取采样过程仿真的实现
地月环境振动吸纳动作贯入阻力仿真对比
仿真结果分析与讨论
不同粒径模拟月壤计算分析
三种不同粒径模拟月壤挖取动作示意图 （上左：10mm粒径；上右：6.5mm粒径；下：5mm粒径）
扭矩，Nm 0.3 3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4
仿真结果分析与讨论
2.7
0
不同粒径模拟月壤计算分析（1）

LIGGGHTS 仿真器（LAMMPS Improved for
General Granular and Granular Heat Transfer Simulations，为通用的颗粒和颗粒热传导仿真而改进的
LAMMPS）

经典土力学理论
表取采样过程仿真的实现
软件界面
月壤槽参数输 入 月壤显示窗口
切入阻力，N 12 16 20 24 28 32 0 实测阻力 理论计算阻力 离散元计算阻力 4 8
物理试验验证（2）
地面物理试验校核与验证
切入位移，mm
CUG_1.50_自然堆积型模拟月壤铲取切入阻力验证
0.19 1.65 3.72 5.03 6.60 8.25 10.01 11.61 13.27 14.99 16.52 18.23 20.22 21.60 23.40 25.00 26.68 28.36 29.98 31.53 33.62 34.92 36.96 38.20 40.13 41.61 43.13 45.05 46.50 48.54 49.98 51.79 53.30 54.93 56.87 58.31 59.80 61.60 63.34
离散元计算扭矩
实测扭矩
理论计算扭矩
48.7 51.7 54.7 57.7 60.7 63.7 66.7 69.7 72.7 75.7 78.7 81.7 84.7 87.7 90.7 93.7 96.7 99.7 102.7 105.7 108.7 111.7 114.7 117.7 120.7 123.7 126.7 129.7 132.7 135.7 138.7 141.7 144.7 147.7 150.7 153.7 156.7 159.7 162.7 165.7 168.7 171.7
LOGO
基于三维离散元方法的月壤表面 采样过程仿真
报告人：高辉
中国地质大学（武汉）工程学院 2014年10月9日
报告大纲
研究背景 表取采样过程仿真的实现 地面物理试验校核与验证 仿真结果分析与讨论 仿真平台评估 结论与展望
研究背景
中国探月工程的计划

2008 一期：绕（飞行探测） 2013 二期：落（月球车着陆） 2017 三期：回（钻探采样并返回、表取采样作为备份功能）
采样机具的运动自由度
表取采样过程仿真的实现
经典理论建模

主动土压力理论 被动土压力理论 极限平衡理论 摩尔库伦理论 承载力计算理论
挖铲机具模型
h T
b
T r l l β
振动吸纳机具模型
（尽量考虑重力加速度、月壤密实度
机具结构、机土相互作用阶段等）
表取采样过程仿真的实现
开发工具
月壤参数输入
离散元仿真控制
模块切换窗口
表取采样过程仿真的实现
软件界面
运动参数设置 力载曲线窗口
采样方式选择
采样过程显示
机具结构参数
仿真参数和过程 操作
表取采样过程仿真的实现
软件界面
运动参数设置
采样方式选择
力载曲线窗口
修正系数
机具结构参数
地面物理试验校核与验证
地面物理验证试验装置设计
8.67
9.5 12 14.5 15.33 17 18.67 19.5 22 24.5 25.33 27 28.67 贯入位移，mm CUG_1.25_密实型
CUG_1.25_松散型
仿真结果分析与讨论
不同模拟月壤计算分析（3）
CUG_1.50_自然堆积型
29.5
32 34.5 35.33 37 38.67 39.5 42 44.5 45.33 47 48.67 49.5 52
CUG_1.25_松散型
CUG_1.50_自然堆积型
仿真结果分析与讨论
不同模拟月壤计算分析（2）
35 CUG_1.25_松散型 30 CUG_1.25_密实型 CUG_1.50_自然堆积型 25
20 切入阻力，N
15
10
5
0
-5
切入位移，mm
不同模拟月壤铲取切入阻力对比
贯入阻力，N 120 150 180 210 240 270 30 60 90 0 0 2 4.5 5.33 7
贯入阻力，N 10 实测阻力 理论计算阻力 离散元计算阻力 20 30 40 60 70 80 90
物理试验验证（3）
50
0
地面物理试验校核与验证
贯入位移，mm
CUG_1.50_自然堆积月壤振动吸纳动作验证
0.37 1.43 2.71 4.09 5.40 6.70 8.15 9.54 10.71 11.91 13.45 14.62 15.87 17.46 18.58 19.94 21.42 22.80 24.12 25.51 26.82 27.96 29.37 30.81 32.00 33.32 34.64 35.91 37.27 38.96 39.92 41.36 42.56 44.12 45.37 46.62 47.83 49.26 50.99 52.47
不同模拟月壤振动吸纳动作对比
仿真结果分析与讨论
不同机具构型分析
仿真结果分析与讨论
不同机具构型分析
机具2挖取示意图
扭矩，Nm 1.6 2.4 3.2 4.8 5.6 6.4
0.8
4
不同机具构型分析
仿真结果分析与讨论
0
运动角度，°
不同挖取机具运动扭矩对比
机具2
机具1
0 4.8 9.6 14.4 19.2 24 28.8 33.6 38.4 43.2 48 52.8 57.6 62.4 67.2 72 76.8 81.6 86.4 91.2 96 100.8 105.6 110.4 115.2 120 124.8 129.6 134.4 139.2 144 148.8 153.6 158.4 163.2 168 172.8 177.6
中国探月工程计划
表取采样过程仿真的实现
经典力学 模型计算
离散元 仿真
地面物 理试验
编 制 软 件
地月环境下采样过 程分析
不同采样方式与采 样参数分析
表取采样过程仿真的实现
离散元方法

离散元法是求解与分析复杂离散系统的运动规律与力学 特性的一种新型数值方法，其基本原理是将研究对象划 分为一个个相互独立的单元，根据单元之间的相互作用 和牛顿运动定律，采用迭代方法进行循环迭代计算，确 定在每一个时间步长内所有单元的受力及位移，并更新 所有单元的位置。
1.6
0 45.00 48.62 52.23 55.85 59.46 63.08 66.70 70.31 73.93
77.54
81.16 84.78 88.39 92.01 95.63 99.24 102.86 106.47 110.09 113.71 117.32 120.94 124.55 128.17
0
0.00 2.00 5.33 8.67 12.00 15.33 18.67 22.00 25.33 28.67 32.00 35.33 38.67 42.00 45.33 48.67 52.00 贯入位移，mm
不同粒径模拟月壤振动吸纳动作对比
扭矩，Nm 0.8 4 2.4 3.2 4.8 5.6 6.4
仿真结果分析与讨论
不同模拟月壤计算分析（1）
运动角度，° 131.79
135.40 139.02 142.63 146.25 149.87 153.48 157.10 160.71 164.33 167.95 171.56 175.18 178.79
不同模拟月壤挖取运动对比
CUG_1.25_密实型
和实际的圆筒 贯入试验结果一致 是
否
5~10 0.5 0.5
结束试验并保存细观力学参数
表取采样过程仿真的实现
模拟月壤样本库
表取采样过程仿真的实现
机具建模
(a)
(b)
百度文库
(c)
(d)
(e)
(f)
采样机具模型 （a）圆盘支架（b）旋转圆筒（c）上金属罩 （d）下金属罩（e）圆盘支架与旋转圆筒的连接轴 （f）上金属罩旋转轴
挖斗扭矩，Nm 0 1 2 4 5
不同重力环境分析（1）
仿真结果分析与讨论
3
6
运动角度，°
地月环境挖取动作仿真对比
地球重力 月球重力
45 48.6 52.2 55.8 59.4 63 66.6 70.2 73.8 77.4 81 84.6 88.2 91.8 95.4 99 102.6 106.2 109.8 113.4 117 120.6 124.2 127.8 131.4 135 138.6 142.2 145.8 149.4 153 156.6 160.2 163.8 167.4 171 174.6 178.2
地面物理试验校核与验证
离散元仿真过程回放
离散元模拟铲取动作
离散元模拟振动吸纳动作
地面物理试验校核与验证
模型月壤设定参数及校核参数
扭矩，Nm 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 0
物理试验验证（1）
地面物理试验校核与验证
运动角度，°
CUG_1.50_自然堆积模拟月壤挖取动作验证
仿真结果分析与讨论
不同粒径模拟月壤计算分析（2）
14 10mm 12 6.5mm
10
切入阻力，N 8 6 4 2 0
5mm
切入位移，mm
不同粒径模拟月壤铲取切入阻力对比
仿真结果分析与讨论
不同粒径模拟月壤计算分析（3）
45 40 35 30 贯入阻力，N 25 20 15 10 5 10mm 6.5mm 5mm