月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法及系统，属于月球水冰探测、温度场仿真技术领域，其中，该方法包括：根据极地月壤性质匹配月壤特性参数，根据月壤特性参数建立月壤水冰颗粒系统；获取钻杆内径、外径、壁厚以及瞬时热源的发热量和发热功率输入EDEM仿真软件中建立钻具理论温升模型；基于水冰颗粒系统和钻具理论温升模型进行单齿切削仿真试验，确定热源点和生热能量分配比例；整合月壤水冰颗粒系统、钻具理论温升模型和生热能量分配比例建立机

【技术实现步骤摘要】
月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法及系统


[0001]本专利技术涉及月球水冰探测、温度场仿真
，特别涉及一种月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法及系统。

技术介绍

[0002]CE
‑
7任务计划采用钻进采样的方案获取原位剖面月壤水冰样本，并利用质谱仪等科学仪器对其成分及丰度开展就位分析。受极低温环境及水冰粘结影响，极地月壤表现出强度高、对局部温升敏感等特点，因此钻进负载决定了钻具的总热输入，极地月壤性质、钻进工程能力需求以及样品温度控制三者间形成了互相制约的矛盾关系。如何在有限的负载能力条件下，合理调控月壤及钻具温升，完成钻进并取回高保真月壤水冰是困扰工程实施的关键问题。
[0003]目前依托地面试验可以获得月壤水冰钻进的部分信息，但无法全息揭示月壤水冰取样过程的生热特性以及热传导规律，而在此方面还没有相应的钻进月壤水冰过程温升仿真模型，只有在传热方面有部分学者建立了颗粒间的热传导模型，但是对于在钻进月壤水冰过程中的其他传热方式比如对流(钻进过程颗粒流动存在热量传递)、热辐射(真空条件下钻具和周围颗粒具有温度会辐射电磁波)等并没有相关的模型建立，使用现有模型和理论建立的仿真模型会出现结果偏差，并不适用于月壤水冰采样温升研究。另外，目前的仿真平台也存在可仿真的传热方式少局限性，比如EDEM软件只能仿真设置热传导这一种传热方式，无法仿真热对流和热辐射。
[0004]因此亟待一种解决上述问题再通过仿真软件和地面试验建立月壤水冰钻进过程温升仿真模型的方法，进而达到钻进过程中钻具和样本温升预示的目标。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法及系统，以用于现有依托地面试验可以获得月壤水冰钻进的部分信息，但无法全息揭示月壤水冰取样过程的生热特性以及热传导规律，虽EDEM软件可以仿真设置热传导，但其无法仿真热对流和热辐射的技术问题。
[0006]本专利技术一方面实施例提供一种月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1，根据极地月壤性质匹配月壤特性参数，根据所述月壤特性参数建立月壤水冰颗粒系统，其中，所述月壤特性参数包括力学特性参数和热学特性参数；
[0008]步骤S2，获取钻杆内径、外径、壁厚以及瞬时热源的发热量和发热功率输入EDEM仿真软件中建立钻具理论温升模型；
[0009]步骤S3，基于所述水冰颗粒系统和所述钻具理论温升模型进行单齿切削仿真试验，确定热源点和生热能量分配比例；
[0010]步骤S4，整合所述月壤水冰颗粒系统、所述钻具理论温升模型和所述生热能量分
配比例建立机
‑
壤作用离散元温升模型。
[0011]本专利技术另一方面实施例提供一种月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示系统，包括：构建月壤水冰颗粒系统模块，用于根据极地月壤性质匹配月壤特性参数，根据所述月壤特性参数建立月壤水冰颗粒系统，其中，所述月壤特性参数包括力学特性参数和热学特性参数；
[0012]构建钻具理论温升模型模块，用于获取钻杆内径、外径、壁厚以及瞬时热源的发热量和发热功率输入EDEM仿真软件中建立钻具理论温升模型；
[0013]确定生热能量分配比例模块，用于基于所述水冰颗粒系统和所述钻具理论温升模型进行单齿切削仿真试验，确定热源点和生热能量分配比例；
[0014]整合模块，用于整合所述月壤水冰颗粒系统、所述钻具理论温升模型和所述生热能量分配比例建立机
‑
壤作用离散元温升模型。
[0015]本专利技术又一方面实施例提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上述实施例所述的月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法。
[0016]本专利技术还一方面实施例提供一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述实施例所述的月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法。
[0017]本专利技术的技术方案，至少实现了如下有益的技术效果：
[0018]针对对象的特殊性对EDEM进行了二次开发，增加了对流、热辐射等传热形式和几何体的传热计算，使得建立的仿真模型更接近真实情况；模型仿真数据与真实试验数据相关度高，参数匹配精度高；使用此仿真模型可以进行钻进过程中钻具和月壤水冰温升预示，填补了国内关于钻进过程中月壤水冰温升预示方面的空白，为进一步评估钻进作用对样品品质的扰动、剖面采样装置方案钻具构型设计、规程优化提供依据，具有较强的工程指导意义。
[0019]本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0020]本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0021]图1为根据本专利技术一个实施例的月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法的流程图；
[0022]图2为根据本专利技术一个实施例的钻进过程建立机
‑
壤作用离散元温升模型的示意图；
[0023]图3为根据本专利技术一个实施例的直剪试验时剪切破坏的局部力链分布状态示意图；
[0024]图4为根据本专利技术一个实施例的采用瞬态法测量热学参数的状态图，(a)为加热前，(b)为加热后；
[0025]图5为根据本专利技术一个实施例的半无限长钻杆简化模型示意图；
[0026]图6为根据本专利技术一个实施例的考虑辐射传热影响修正的温度场计算流程示意图；
[0027]图7为根据本专利技术一个实施例的颗粒
‑
颗粒和刃具
‑
颗粒生热分布情况示意图；
[0028]图8为根据本专利技术一个实施例的三级放大变颗粒直径建模示意图；
[0029]图9为根据本专利技术一个实施例的机
‑
壤作用离散元温升模型示意图；
[0030]图10为根据本专利技术一个具体实施例的仿真生热及过程情况图，其中，(a)为生热能量施加示意图，(b)为钻进过程；
[0031]图11为根据本专利技术一个实施例的月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示系统的结构示意图。
具体实施方式
[0032]下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。
[0033]下面参照附图描述根据本专利技术实施例提出的月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法及系统，首先将参照附图描述根据本专利技术实施例提出的月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法。
[0034]图1是本专利技术一个实施例的月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法的流程图。
[0035]如图1所示，基于EDEM仿真平台，采用锥形基体与直切削刃构型钻头针对回转方式开展机
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，根据极地月壤性质匹配月壤特性参数，根据所述月壤特性参数建立月壤水冰颗粒系统，其中，所述月壤特性参数包括力学特性参数和热学特性参数；步骤S2，获取钻杆内径、外径、壁厚以及瞬时热源的发热量和发热功率输入EDEM仿真软件中建立钻具理论温升模型；步骤S3，基于所述水冰颗粒系统和所述钻具理论温升模型进行单齿切削仿真试验，确定热源点和生热能量分配比例；步骤S4，整合所述月壤水冰颗粒系统、所述钻具理论温升模型和所述生热能量分配比例建立机
‑
壤作用离散元温升模型。2.根据权利要求1所述的月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：步骤S101，对机具的下箱体施加恒定水平速度对含水冰月壤的预设土样进行直剪试验，捕捉所述预设土样剪损的抗剪强度；步骤S102，测定所述预设土样的内聚力、内摩擦角、弹性模量和泊松比；步骤S103，将所述预设土样放置在预设绝缘圆筒中进行加热，以仿真温度场；步骤S104，仿真结束后将所述预设绝缘圆筒的直径、长度和热源输入至EDEM仿真软件中进行瞬态法处理，获得有效导热系数；步骤S105，测定所述预设土样的常压低温导热系数和比热容、真空低温导热系数和比热容；步骤S106，利用所述抗剪强度、所述内聚力、所述内摩擦角、所述弹性模量和所述泊松比进行所述力学特性参数匹配，利用所述有效导热系数、所述常压低温导热系数和比热容、所述真空低温导热系数和比热容进行所述热学特性参数匹配，进而建立所述月壤水冰颗粒系统。3.根据权利要求2所述的月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法，其特征在于，所述预设绝缘圆筒为一个平板和盛放预设土壤的圆筒，且均为0K且绝缘，平板处设置温度为1000K的前端热源。4.根据权利要求1所述的月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：步骤S201，获取所述钻杆内径、所述外径、所述壁厚以及所述瞬时热源的发热量和所述发热功率输入EDEM仿真软件中，根据预设时间钻杆沿轴向不同位置的温度计算得到由钻杆前端持续热源传导产生的温度场；步骤S202，根据所述温度场建立初始钻具理论温升模型；步骤S203，考虑对流、辐射、钻具构型和非恒定热源对所述初始钻具理论温升模型进行修正，得到所述钻具理论温升模型。5.根据权利要求4所述的月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法，其特征在于，考虑辐射时，将钻杆的温度场看成是由钻杆...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟伟，赵永卫，赵德明，崔金生，任德鹏，杨旭，汪凌昕，唐钧跃，阮旭，姜生元，季节，王振龙，迟关心，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：