基于應力波反射法的模擬月壤特性研究*

□ 田 野 □ 李晨昊 □ 李楠楠 □ 趙 宇 □ 于佳鑫 □ 葛坦龍

哈爾濱商業大學 輕工學院 哈爾濱 150028

1 研究背景

我國是世界上第三個實現月球采樣返回的國家,在探索月球時發現了無法實時辨識鉆進采樣對象的問題[1-2]。

應力波反射法在錨桿無損檢測、樁身缺陷分析、鉆進對象識別等方面有廣泛應用,通過低應變反射波可進行樁基檢測,在發現淺層部位信號異常時可以清楚識別淺層缺陷[3-4]。劉飛等[5]建立了鉆桿與月壤相互作用的力學模型,奠定了鉆桿與月壤相互作用的理論基礎。王曉瑜[6]建立了液壓錨桿鉆機沖擊鉆進的有限元模型,分析了應力波的產生、傳遞及沖擊能大小對鉆進效果的影響,驗證了應力波及沖擊能隨時間的變化情況與錨桿鉆機實際工況相一致。劉剛等[7]提出了一種鉆頭鉆進不同介質時的振動信號特征識別方法,通過提取和處理特征信號,區分鉆進地層的特性。張建霖等[8]通過建立樁-土系統力學模型,提出了考慮樁土相互作用的應力波動方程特征線解法,應用優化方法對樁身缺陷進行定量識別。路明雨等[9]進行了地外天體采樣器鉆進過程的仿真分析,得出沖擊機構在沖擊鉆進過程中應力波的產生、傳遞,以及鉆進碎巖效果。李文[10]采用鉆進響應特性來識別巖體特性,基于鉆進動力學模擬系統開展了巖體的鉆進響應特征研究,獲取鉆桿中的應力波,作為響應特性的評價指標。

基于鉆進對象的特征辨識經驗,可以采用沖擊鉆具與應力波反射法相結合的方式,對模擬月壤的特性進行辨識。筆者將數值模擬與鉆進試驗相結合,通過建立應力波反射法有限元模型,進行仿真試驗,分析不同工況條件下的月壤反射波特性,研究鉆具中應力波的傳播規律,并根據鉆具中反射波的時域特性,來區別鉆進對象的不同工況。

2 應力波反射法

應力波反射法廣泛應用于樁基檢測、沖擊辨識等領域。將應力波反射法應用于月壤特性識別時,可以結合沖擊鉆桿對鉆進對象的特性進行識別[7]。霍普金森壓桿試驗裝置主要由動力加載裝置、試驗桿系統、數據采集系統組成。測試時,試件放置于入射桿和透射桿之間,通過動力加載裝置對撞擊桿進行加速,撞擊入射桿產生的應力波沿桿傳遞,經入射桿、試件、透射桿、吸收桿,最后由阻尼器吸收。當撞擊桿加速后對入射桿產生沖擊時,在入射桿和透射桿中將產生相應的應力,此時應力在彈性變形的彈性體中以波的形式向前傳播。入射波作用在不同模擬月壤上,將產生透射波和反射波,如圖1所示。通過對反射波數據的接收、放大、濾波等處理,可以識別出不同特性模擬月壤的反射信息。

▲圖1 應力波傳遞

霍普金森壓桿試驗基于一維應力波理論進行,入射桿與模擬月壤界面的動態力P1為:

P1=AE(εi+εr)

(1)

透射桿與模擬月壤界面的動態力P2為:

P2=AEεt

(2)

入射桿與模擬月壤界面的速度v1為:

v1=c(εi-εr)

(3)

透射桿與模擬月壤界面的速度v2為:

v2=cεt

(4)

式中:E為桿的楊氏模量;A為桿的截面面積;c為桿中一維應力波的傳播速度;εi為入射波應變幅值;εr為反射波應變幅值;εt為透射波應變幅值。

3 仿真建模

基于有限元方法分別建立撞擊桿、入射桿,以及采集透射波所需要的透射桿的三維模型。根據試樣大小建立模擬月壤試樣的三維模型。桿系參數見表1,沖擊試驗桿系統有限元模型如圖2所示。

表1 桿系參數

均質模擬月壤試樣密度為1 500 g/m3,彈性模量為108 MPa,泊松比為0.32。初始條件包括撞擊桿速度和測量點位置,撞擊桿的初始沖擊速度分別設為1 m/s、2 m/s、5 m/s。

4 模擬結果

模擬月壤顆粒是疏松多孔的孔隙材料,由顆粒骨架和孔隙組成。顆粒間為點接觸,各個顆粒緊密連接成土骨架。不同沖擊速度下入射桿中的應力曲線如圖3所示。

▲圖2 沖擊試驗桿系統有限元模型

▲圖3 不同沖擊速度下入射桿中應力曲線

由圖3可以說明,在不同沖擊速度條件下,入射波產生的應力隨著沖擊速度的增大而增大,在平穩階段后產生一個峰值,隨后減小并趨于平穩。反射波產生的應力峰值也隨沖擊速度的增大而增大,應力由平穩階段逐漸增大,達到峰值后呈現振蕩,隨后減小。

5 模擬月壤沖擊試驗

試驗采用分離式霍普金森壓桿試驗裝置,如圖4所示。試驗采用的撞擊桿、入射桿、透射桿尺寸參數與仿真模型桿系參數相同。為滿足霍普金森桿一維應力假設及應力均勻性假設,采用φ39.1 mm×20 mm試樣進行動態特性試驗。

針對探月工程月球次表層鉆進取心采樣任務,共制備四類模擬月壤,分別為均質模擬月壤、模擬月巖、模擬臨界尺度顆粒,以及含水率10%的模擬含水月壤。四類模擬月壤如圖5所示。

將四類模擬月壤制成可供霍普金森壓桿試驗裝置使用的試樣。月壤是一種低阻抗材料,一般認為應力波必須在試樣內部反射三四次,才能保證試樣應力平衡。為延長入射波幅值增大時間,設計了波形整形裝置,在入射桿與撞擊桿之間加裝較軟的墊片,來實現對入射波的過濾作用,延長入射波幅值增大時間,使試樣有足夠的時間達到應力平衡。

▲圖4 霍普金森壓桿試驗裝置

▲圖5 模擬月壤

根據霍普金森壓桿試驗原理,彈性應力波傳播到試樣表面會壓縮試樣,試樣的形狀發生變化被壓縮。試樣兩端的變化會導致貼在入射桿和透射桿上的電阻應變片中金屬絲長度和橫截面積產生變化,采用超動態應變儀記錄電阻應變片兩端電壓隨時間的變化,來得到材料中應變與時間的關系。應用霍普金森壓桿試驗數據處理軟件,可以得到采用四類模擬月壤時入射桿中應力與時間的關系和入射桿中應力波波速與時間的關系,分別如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可以看出采用不同模擬月壤時入射桿中應力波的傳播規律,并且不同模擬月壤的沖擊反射波有明顯差異。對比桿系中應力與時間關系和波速與時間關系,可以區分模擬月壤特性,為無人自主鉆取采樣工作中鉆具底端月壤的識別提供參考。

▲圖6 入射桿中應力與時間關系

▲圖7 入射桿中應力波波速與時間關系

6 結束語

筆者通過理論分析、仿真模擬和試驗,得到兩方面結論。

比較仿真結果,不同工況下模擬月壤的入射波基本一致,說明仿真結果重復性強,仿真模型可靠。均質模擬月壤反射波衰減較小,模擬月巖反射波衰減較大,說明不同模擬月壤的波阻抗率不同,可以利用反射波特征對不同月壤進行辨識。

根據應力波在不同模擬月壤中的傳播情況,可以分辨出應力波波速大小,基于一維應力波傳播理論,可以對不同月壤特性進行辨識,即可以通過應力波不同的波速來區分鉆進對象的特性。

筆者的研究為月壤的辨識提供了參考。