一种基于轴线偏移的月壤钻进阻力预测方法

本发明属于月壤勘探，具体地，涉及一种基于轴线偏移的月壤钻进阻力预测方法。

背景技术：

1、钻进阻力是星球钻进采样过程中钻具与土体间因切削、挤压、摩擦等复杂相互作用从而在竖直方向上产生的合力，预测和评估钻采过程中的钻进阻力是保障采样任务高效可靠完成的前提，也是开展星壤参数识别、高度自适应无人自动控制等星球钻进采样技术研究的基础。

2、月壤钻进过程中，细长的螺旋钻杆不可避免地会发生轴线偏移，从而改变钻具的受力情况。关于钻进阻力形成机理和阻力预测模型的研究，目前主要存在离散元法和解析法两种研究方法。其中，离散元方法因能描述月壤的散体特性在近年来被广泛应用。刘天喜等人针对月壤颗粒多孔多角的结构特点，构建了可体现月壤大内摩擦角、小内聚力等力学特点的离散元本构模型，分析了不同钻采工况钻下月壤颗粒的运动场及应力场分布，还分析了岩石等大颗粒分布对采样过程中载荷的影响。蒋明镜等人在离散元粒子接触模型中加入范德华力以模拟月球环境下的黏结相互作用并以此对月壤中锥突试验进行了数值研究。chen等人利用dem揭示了工作螺旋输送器中输送颗粒的运动和应力特性，并建立了一个简化的动力学模型，该模型可以很好地解释实验中最大输送速率与螺旋输送器转速之间的比例关系。此外，离散元方法样还被应用于其他月球探测机构与月壤间相互作用行为的模拟研究，甚至被应用于分析月表小直径水平隧道的稳定性。虽然离散元方法能够直观地模拟月壤颗粒的运动，在细观上为机土相互作用机理的研究提供支持，但是海量的颗粒间运算导致了离散仿真效率低下，耗时长，不利于后续开展月壤状态实时辨识反演等研究。

3、而解析法的研究进展相对于离散元方法则要缓慢的多，其难点在于需要充分考虑钻采过程中钻具的运动特点，结合月壤的力学特性建立细观颗粒状态与宏观土体力学行为之间的跨尺度关联。有学者考虑钻头切削刃对土体的破坏作用，基于被动土压力理论，构建切削刃前的月壤失效区，通过失效区的通过失效区的受力和几何关系计算钻进负载。还有学者通过构建钻杆螺旋槽内月壤运动模型对钻杆几何结构参数与回转扭矩之间的相互影响关系进行分析，实现了钻杆结构设计的优化。但是上述模型与相关试验只关注了钻进过程中回转扭矩的变化，而忽略了钻进阻力。tang综合月壤回转切削作用下的剪胀模型、粮仓效应下的取心力学模型以及螺旋槽中钻屑的运移模型构建了基于特定钻进样本的自适应钻进策略，但是其采用的钻头形状并非探月工程中采用的双排阶梯构型，钻进阻力的形成机理存在本质上的不同。zhang等人基于准静态下的库伦摩尔土力学定律建立了钻进负载模型对钻进阻力和回转扭矩进行预测，但是模型中钻杆的等效自攻效应过于强大，导致钻进一定深度后贯入阻力为零，与试验结果相违背。zhou等人基于细观上月壤颗粒的运动先后构建了基于地面试验数据的钻进阻力半经验预测模型和基于钻头贯入过程中月壤柱孔扩张问题等效解析解的钻进阻力理论预测模型。前者机土相互作用被简化为土体密度变化的映射，缺少对钻进阻力形成机理更深层次的分析，并且拟合模型过于依赖试验样本。后者模型计算结果与试验结果间存在较大偏差，需要进一步优化。此外，tian等人构建了基于虚拟土桩方法的钻土相互作用模型，分析了撞击月球风化层时岩土性质与速度频率响应间的关系。chen等人提出了一种月球自主钻进的多状态控制策略，采用支持向量机(svm)和连续小波变换分别对钻孔介质和界面进行在线识别，但是该方法缺少了对机土相互作用机理的讨论与分析。此外，对于钻孔的长径比大于10的深孔钻进问题，由于钻具安装精度、钻进过程中钻具受力变形等因素的影响，钻具轴线倾斜现象普遍存在。钻具轴线发生偏移，会导致钻具工作时的姿态发生改变，影响钻具表面载荷的作用方向，从而影响钻进阻力。月球无人自动化钻采机构的机械复杂度高，存在较高的故障风险，并且探测器的电机载荷十分有限。因此，钻具轴线偏移导致的钻进阻力变化对钻采任务能否顺利完成有决定性的影响。综上所述，虽然解析法的研究难度大，研究进展较为缓慢，但是，解析模型是后续开展月壤参数辨识、自适应钻采控制等研究的基础保障，探究钻进阻力形成机理并构建相应的阻力预测解析模型是十分必要且有意义的。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种基于轴线偏移的月壤钻进阻力预测方法，对钻具倾斜状态下的钻采过程进行分解和等效，基于回转状态下土体柱孔扩张问题的等效解析解和钻具倾斜姿态下附加土压力等效解构建钻进阻力预测模型，通过仿真算例分析主要土体参数对预测结果的影响，并开展模拟月壤地面钻采试验对模型进行验证。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于轴线偏移的月壤钻进阻力预测方法：所述方法具体包括以下步骤：

4、步骤1：进行钻具及土体运动分析，定义钻具的进给运动、回转运动以及排屑过程，建立等效模型；

5、步骤2：基于扩孔机理，分析从弹性、弹塑性到完全塑性的土体扩张阶段，并计算相应的应力、位移和摩擦阻力，以预测钻进过程中的阻力变化；

6、步骤3：根据搅动机理，分析钻具运动产生的土体相互作用，等效计算土压力并考虑土体密度变化，预测钻具表面的搅动阻力；

7、步骤4：基于步骤1至3，忽略钻具内部收集样品和钻杆内壁的摩擦，构建钻进阻力模型；

8、步骤5，验证步骤4构建模型的准确性。

9、进一步地，在步骤1中，

10、进给运动即为钻具整体竖直向下移动，此时钻头四周的土体受钻头挤压而沿径向移动，处于压缩状态，同时钻头下方的土体会通过采样孔进入钻杆内；因此，进给运动造成了钻具与土体之间的相对位移，钻具表面会受到与运动方向相反的摩擦阻力；

11、回转运动即为钻具绕轴线自转，此时钻头上的切削刃会破坏土体结构，使钻头四周的土体变得松散并在钻头的带动下沿周向运动；

12、在进给和回转共同作用下，钻头边缘处的土体会被钻杆螺纹运输至月球表面，

13、然而，钻具的定轴转动则为误差导致的干扰运动，由于钻杆细长的结构特点，该转动会在钻头处被放大；钻具在定轴转动时会持续搅拌土体，使钻具表面受到土体的挤压载荷，该载荷具有周期变化的特征；即将钻具的运动等效分解为竖直向下运动和末端固定的定轴转动，

14、钻采工况保持不变时，假设钻具回转产生的土体流动速度与回转速度相同，即月壤与钻具在周向上相对静止；同时假设钻杆螺纹上携带的月壤由钻头处开始填充并向上运输且排粉量稳定，将回转作用下月壤的流动特性等效为月壤宏观力学特性的变化。

15、进一步地，在步骤2中，钻具竖直向下的运动等效为桩体贯入过程，那么钻具表面受到的压力载荷等效为贯入过程中孔壁处的扩张压力载荷；

16、步骤2.1：弹性扩张阶段

17、计算应力分布函数：推导径向正应力和切向正应力，涉及扩孔压力、初始压力、泊松比、土体旋转角速度；

18、计算位移分布函数：描述与土体弹性模量相关的土体弹性变形时的位移分布；

19、步骤2.2：弹塑性扩张阶段

20、塑性区和弹性区：土体变形分为塑性区和弹性区，确定塑性区边界半径和初始位置；

21、基于库伦-摩尔屈服准则，确定土体屈服条件，引入内摩擦角和内聚力，推导塑性区应力分布函数，求解弹性区应力分布函数，基于弹性区微分平衡方程、应力应变关系及边界条件，描述土体外边界和塑性区内的位移分布；

22、步骤2.3：完全塑性扩张阶段；

23、当土体进入完全塑性状态时，弹塑性边界移动至土体外边界，土体进入完全塑性状态；推导完全塑性阶段的应力分布函数、位移分布函数和孔径扩张关系；

24、步骤2.4：计算扩孔摩擦阻力：具体为钻具与土体层之间的摩擦阻力。

25、进一步地，在步骤3中，钻具轴线与进给速度间存在极小的偏差角时，钻具的回转运用会引起同频率的定轴转动，忽略表面螺纹及钻头凸起，将钻具的形状简化为细长圆杆，假设该转动过程中任一时刻钻具周围的月壤处于极限平衡状态，此时月壤对钻具的相互作用可以通过挡土墙土压力等效计算；

26、步骤3.1：计算等效土压力；基于挡土墙土压力理论，描述钻具表面受到的等效被动土压力系数和等效主动土压力系数；

27、步骤3.2：计算容重分布；基于钻具转动影响，分析钻具定轴转动过程中土体密度的变化，推导容重分布函数；

28、步骤3.3：计算钻具表面受到的土压力载荷在竖直方向上的分量，根据等效被动土压力系数和等效主动土压力系数计算搅动阻力。

29、进一步地，在步骤4中，钻具内部收集的样品与钻杆内壁间会相互摩擦，但由于样品密实度较低，对钻杆内壁产生的压力较小，因此，忽略该摩擦载荷，将钻进过程中钻具受到的钻进阻力视为与月壤相互作用部分表面上的全部载荷在竖直方向上的合力。

30、进一步地，在步骤5中，分别设置土体的等效弹性模量、等效内聚力、等效内摩擦角和等效土压力系数进行实验验证。

31、一种基于轴线偏移的月壤钻进阻力预测系统：

32、所述预测系统包括以下钻具及土体分析模块、扩孔机理模块、搅动机理模块、钻进阻力构建模块和验证模块：

33、所述钻具及土体分析模块定义钻具的进给运动、回转运动以及排屑过程，建立等效模型；

34、所述扩孔机理模块分析从弹性、弹塑性到完全塑性的土体扩张阶段，并计算相应的应力、位移和摩擦阻力，以预测钻进过程中的阻力变化；

35、所述搅动机理模块分析钻具运动产生的土体相互作用，等效计算土压力并考虑土体密度变化，预测钻具表面的搅动阻力；

36、所述钻进阻力构建模块：忽略钻具内部收集样品和钻杆内壁的摩擦，构建钻进阻力模型；

37、所述验证模块用于验证模型的准确性。

38、一种基于轴线偏移的月壤钻进阻力预测系统的试验系统：

39、所述试验系统由钻具运动模拟试验台、控制柜以及试验箱三部分组成，

40、其中钻具运动模拟试验台主要包括钻具、x、y、z三个方向的移动滑轨、回转电机、和压力传感器；控制柜包括控制按钮和参数设置面板两部分；试验箱用于装填模拟月壤；

41、钻采试验采用的钻具结构为双排8齿阶梯构型，钻头具有8个切削刃，能够通过钻具回转运动不断切削破坏钻具下方土体，使其变为松散颗粒；钻杆内部中空，钻具进行进给运动时可将钻具正下方的松散土体收集至钻杆空腔中；钻杆环绕双排螺纹，在钻进过程中带动钻杆壁上的土体颗粒向上移动并排出至土体表面。

42、一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

43、一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。

44、本发明有益效果

45、本发明不仅考虑了土体的力学性能参数，如弹性模量、内聚力、内摩擦角和土压力系数，还考虑了钻具轴线的倾斜状态，这为更准确地预测钻进阻力提供了更全面的分析。

46、本发明通过将钻进过程分解为钻头贯入土体和钻杆搅拌土体两个过程，并基于回转状态下土体柱孔扩张问题的等效解析解和钻具倾斜姿态下附加土压力等效解，构建了新的钻进阻力预测模型。对模型中的主要土体力学性能参数进行了灵敏度分析，进一步理解各参数对钻进阻力的影响程度。

47、本发明通过仿真算例分析和模拟月壤地面钻采试验，验证了模型的合理性和准确性，确保模型的实用性和可靠性。

48、本发明的技术方案具有很强的适应性和通用性，可以适应不同的钻采工况和土体条件；同时为后续开展月壤参数辨识、自适应钻采控制等研究提供了基础保障，有助于推动月球探测技术的发展。