月壤-模擬月壤力學特性顆粒流數值模擬研究.pdf

1、對月壤力學特性的研究是探月工程中的重要研究課題，而模擬月壤是相關模型試驗的主要研究對象。月壤/模擬月壤在本質上都是具有離散特性的顆粒材料，顆粒特性（特別是顆粒的形狀特征）對其力學特性有著重要影響。離散元法根據物質本身的離散特性建立數值模型，在模擬研究月壤這類本質為非連續(xù)性的顆粒材料時具有獨特的優(yōu)勢;本文基于離散元法理論，通過顆粒流數值模擬研究分析了模擬月壤顆粒特性與抗剪強度力學特性之間的關聯(lián)，并對月壤的靜力觸探試驗進行FEM-DEM多尺

2、度數值模擬研究，主要研究結論如下:
　　(1)利用火山灰作為原料配制了研究所需的模擬月壤，對比分析其與真實月壤樣品及其它主要模擬月壤在顆粒細觀結構、顆粒比重、粒徑分布、堆積密度、孔隙比、密實度等物理性質以及壓縮性等力學性質方面的差異，結果表明本文模擬月壤在顆粒形狀、顆粒表面粗糙度等細觀結構和月壤樣品及其它主要模擬月壤相似，其基本物理性質及壓縮性也都在實際月壤以及其它主要模擬月壤的物理力學性質參數值范圍之內。
　　(2)顆粒流

3、數值模擬在計算過程中能對顆粒的排列狀態(tài)、接觸力鏈、位移場等實時記錄并提取，并能形象直觀地反映出速度場、位移場以及力場等參量的變化情況，在研究月壤/模擬月壤等非連續(xù)性顆粒材料時具有獨特的優(yōu)勢。顆粒流數值模擬在探月工程月壤相關巖土問題研究中的應用主要有以下幾個方面:月壤顆粒接觸模型的修正、模型細觀參數的選取、對月壤顆粒形狀的模擬以及對月壤力學特性以及月壤與車輪相互作用的模擬研究等。
　　(3)通過細致的靜三軸試驗對所配制的模擬月壤進行

4、抗剪強度力學特性試驗研究，試驗結果表明，模擬月壤的峰值內摩擦角介于43°～51°之間，粘聚力約為0.37～4.90 kPa，且模擬月壤的抗剪強度會隨著試樣的相對密度和試驗圍壓的增大而增強。利用PFC3D軟件建立三軸試驗的顆粒流數值模型，分析了顆粒間摩擦系數、初始孔隙率以及顆粒剛度這三個細觀參數對模擬月壤抗剪強度性質的影響，模擬結果表明，顆粒間摩擦系數是影響模擬月壤抗剪強度特性的主要因素。
　　(4)對模擬月壤的組成顆粒進行體視顯微

5、鏡掃描觀察，結果表明，模擬月壤顆粒形狀各異，大粒徑顆粒具有明顯的蜂窩狀氣孔結構，顆粒表面相對凹凸且具有棱角、鋸齒、鉤角等不規(guī)則結構。利用圖形處理軟件對各粒徑組顆粒的形狀特征參數進行量化統(tǒng)計分析，結果表明，模擬月壤的主要形狀有圓形，類橢圓形，類三角形和類四邊形。利用PFC3D軟件建立模擬月壤三種典型非常規(guī)形狀的數值模型并模擬其三軸壓縮試驗，模擬結果表明，顆粒形狀對試樣的抗剪強度指標值有明顯的影響;其中構造出的類橢球體顆粒的內摩擦角和粘聚力

6、值最大，類三角體和類正方體顆粒的抗剪強度次之，球體顆粒的抗剪強度指標值則最小;當顆粒形狀都是類三角體時，凹凸度越大，試樣的抗剪強度指標值也越大。
　　(5)基于對模擬月壤顆粒形狀特征的試驗研究結果，利用PFC2D軟件對20種典型模擬月壤顆粒實際形狀建立數值模型，并通過雙軸壓縮試驗模型對比研究了顆粒形狀對模擬月壤抗剪強度力學特性的影響。模擬結果表明:相對于圓形顆粒試樣來說，異形顆粒試樣在加載前后都存在更加明顯的孔隙，并且粒徑越大的異

7、形顆粒邊上更容易出現(xiàn)較大的孔隙。在相同試驗條件下，帶有異形顆粒的模擬月壤試樣在加載過程中的峰值偏應力值更大，也存在更加明顯的應變軟化現(xiàn)象;顆粒實際形狀對模擬月壤的抗剪強度有著重要影響，異形顆粒試樣的內摩擦角比圓形顆粒試樣的內摩擦角要大5°左右，而粘聚力則大0.2 kPa左右。
　　(6)采用FEM-DEM多尺度數值模擬方法對月壤的靜力觸探試驗建立多尺度數值分析模型，再現(xiàn)了靜力觸探過程中月壤顆粒的流動情況，并定性分析了觸探儀總貫入阻