基于EDEM的月尘环境效应仿真实验设计与开发

侯绪研，潘旭东，岳洪浩，闫纪红，宋宝玉,黄文涛

(哈尔滨工业大学 机电工程学院,哈尔滨 150001)

·专题研讨——虚拟仿真实验(47)·

基于EDEM的月尘环境效应仿真实验设计与开发

侯绪研，潘旭东，岳洪浩，闫纪红，宋宝玉,黄文涛

(哈尔滨工业大学 机电工程学院,哈尔滨 150001)

利用学校高端装备制造虚拟仿真实验教学中心平台，面向飞行器制造工程专业基础课“空间技术概论”中的“月球环境及其模拟试验技术”章节，针对月面环境物理模拟难度大、成本高等缺点，基于离散元仿真软件EDEM，结合已有科研成果，设计开发“月尘环境效应仿真实验”，模拟月尘环境及其对空间运动副产生的影响，从而使学生能够在课堂环境中即可直观地感受月尘环境及其效应，为专业课教学提供了新的途径。

虚拟仿真; 实验教学中心平台; 月尘环境; 离散元法

0 引 言

“空间技术概论”是我校飞行器制造工程专业面向大三本科生开设的专业基础课，主要讲授空间环境的分类、效应、地面模拟试验方法等，包括空间真空环境、空间磁环境、微重力环境、空间碎片与微流星环境效应、空间粒子辐射环境、原子氧环境、等离子体环境等；通过本课程的学习使学生初步了解到空间环境的分类、以及空间环境对航天器的作用机理，为学习飞行器专业后续课程打下基础。课程第九章为月球环境及其模拟试验技术，主要讲授月球环境、月球环境对航天器的影响以及月球环境模拟与试验方法。

月尘是月球环境中的一个重要因素，月尘对月面活动具有重要影响，对探测器的性能和寿命产生重要影响，直接影响探月工程的可靠性和工程目标的完成。专家推测，目前我国玉兔号月球车出现的异常状态，其原因极有可能是月尘渗入密封器件、进入了运动部件的间隙处，在月面高低温环境的作用下，造成了运动副的磨损与卡死，从而影响了月球车的正常工作。之后的探月三期工程、载人登月工程、月球基地工程也都将面临月尘环境的严峻考验。

目前世界上只有美国和前苏联成功采集月尘样品返回地球，我国受赠于美国的0.5 g月尘样品已永久封存于中国科学院，因此无法直观讲授该章节内容。而地面模拟实验所需条件极其苛刻，目前国内只有中国空间技术研究院拥有相关设备条件，而且工程任务繁重[1]。因此，为了更好地让学生掌握月尘环境及其效应，现将多年科研成果转化至课堂教学，利用最新的虚拟仿真技术对月尘环境进行模拟，并设计开发相关仿真实验，巩固课堂教学成果。

1 月尘的理化特性

月壤(lunar regolith)被定义为月球表面的一层碎屑或松散的矿物质，这些碎屑或矿物质或者固定在一处，或者悬浮于空中，不同的地方也许具有不同的化学特性。而月尘(lunar dust或lunar soil)是由月壤表层更加微小的颗粒组成。月尘由于暴露在高能带电粒子和微流星的辐射环境下，形成了月尘微米级颗粒粒径、尖角状颗粒形态、表面带静电的特点。此外，月尘粒子的质量、硬度、形态、大小、热传导率、电荷和颜色与地球上的粉尘都有很多明显的不同。月尘颗粒的扫描电镜如图1所示。其物理特性参数如表1所示[2]。

2 月尘环境效应

扬起和悬浮的月尘颗粒因其黏附特性会附着在与其接触的各类表面上，严重影响航天器和探测仪器的可靠性。

(1) 沉积污染效应。沉积污染效应主要是指由于自然现象或者人类活动造成的扬尘沉积在登月设备的表面，从而对材料表面性能产生影响。沉积效应会降低材料表面的性能；月尘会污染温控表面，造成太阳吸收率和热发射率变化，导致温控系统故障；月尘会污染光学表面，降低透射率等光学参数，使光学仪器性能下降；月尘污染会造成太阳电池阵电池片光电转换效率下降，使太阳电池阵输出功率降低。月面超高真空环境下，月尘沉积变得十分致密，静电也会加重月尘沉积影响(见图2)。

表1 月尘物理特性

(2) 磨损效应。月尘的粒度小、干燥、颗粒形状尖锐、硬度高，因此月尘可以被看作是一种特殊的“研磨剂”。月尘的这种特性使得与其作任何相对运动的接触面产生划痕，尤其是往复运动或旋转运动的表面会被磨损，甚至造成表面材料或涂层被剥落。宇航员进行8 h月面活动后，宇航服就变得陈旧。在地面活动训练服变得陈旧则需要100 h。宇航服头盔视窗玻璃由于划痕，看到的东西变得模糊。地面试验也证实了细小尘埃颗粒对月球车轮具有明显的磨损(见图3)。

(3) 阻塞效应。月尘附着在活动机构的表面会增加活动机构的阻力，有时甚至发生卡死现象。几乎所有的阿波罗探月工程技术报告都提到了这一问题，问题发生在锁扣、设备搬运、相机设备等上，甚至真空吸尘器也会发生问题。报告指出尼龙绳的锁扣由于月尘的原因变得不能使用，拉链也发生同样的问题。

(4) 渗入效应。细小粉尘极具渗入性。月尘的这种特性不仅危及活动的机械部件，也会对航天员的生命支持系统产生危害。阿波罗14曾经发生过试验仪器开关失灵的情况，原因就是粉尘进入了开关，并在阿波罗16中作了修改，成功地改善了开关的防尘效果。

(5) 静电效应。月尘带电会使得登月设备发生充放电现象，对设备的电子元器件产生影响。带电月尘的电荷累积可能引起太阳电池阵漏电及局部放电，造成太阳电池阵工作异常甚至损伤。同时月尘带电会增强月尘的吸附特性，加重污染程度[3-6]。

3 月尘环境效应仿真实验设计

3.1基于EDEM的月尘颗粒仿真建模

(1) 月尘颗粒形状建模。如前所述，月尘颗粒形状极不规则。利用颗粒图像分析仪，测量模拟月尘形状颗粒，提取其轮廓特征，并用分形维数理论进行建模。在此基础上，在EDEM中，利用离散元团颗粒法[7-9]，建立不规则形状月尘颗粒的离散元仿真模型，如图4所示。

(a) 分形维数2.2

(c) 分形维数2.4

(d) 分形维数2.5

(e) 分形维数2.6

图4 不规则形状月尘颗粒的离散元仿真模型

(2) 参数匹配。由于月尘的机械特性参数与离散元参数无法一一对应，需要进行参数匹配[10]。利用EDEM 专用模块 Generic EDEM Material Model (GEMM) database，对月尘的离散元仿真参数及其与运动副间作用的离散元仿真参数进行匹配。具体匹配结果如表2～4所示。匹配步骤如图5所示。

表2 材料机械特性参数

表3 月尘自身接触属性参数

表4 月尘与运动副接触属性参数

3.2月尘对运动副效应仿真建模

在月面探测过程中，月尘颗粒会逐渐进入探测器运动副间隙，在运动副元素发生相对运动的过程中逐渐积累并不断移动，最终可能造成局部载荷过大甚至出现运动副卡死现象。本节以回转副为例，针对月尘颗粒对运动副影响这一问题进行离散元仿真，通过仿真过程中颗粒的流动规律和各项参数的变化情况对月尘颗粒的影响规律进行探究。

(a) 步骤1 选择设备尺度

(b) 步骤2 选择月尘颗粒密度

(c) 步骤3 输入月尘颗粒堆积角

离散元软件EDEM支持Solidworks、Pro/E、UG、CATIA等主流三维CAD软件，对于复杂几何体的建模可以直接导入CAD模型进行网格划分和仿真计算。为了对进入月尘颗粒后回转副的运动特性变化进行仿真，采用三维建模软件Solidworks建立仿真模型如图6所示，其尺寸定义为孔内径11 mm，轴外径10.6 mm，轴孔间同轴间隙为0.2 mm。

(a)Solidworks三维模型(b)EDEM几何体网格划分

图6 离散元仿真回转副三维模型

为了更好地利用仿真模拟月尘颗粒进入轮轴间隙造成卡死的现象，采用轮轴间隙内颗粒完全填充的方式进行离散元仿真。创建如图7所示的颗粒工厂几何体，将颗粒生成区域限制在轮轴间隙内。颗粒工厂几何体设置为虚拟形式，因此，它只对颗粒生成区域产生影响，而不会在仿真过程中对颗粒起到位置约束或力约束。

(a)颗粒工厂几何体(b)颗粒工厂生成

图7 离散元仿真颗粒工厂

在月尘颗粒的生成过程中，为了更好地接近实际情况，同时将形状参数引入仿真中，按照不规则颗粒分布建模所得到的分布规律进行颗粒工厂生成和颗粒参数设置。颗粒生成过程中，为了保证颗粒堆积足够密实，采用图8所示的方式生成颗粒[11-12]，通过随机填充、自由下落两个过程循环进行的方式多次填充，直至颗粒静置后无法再次生成颗粒为止。

对被调查学生的医学统计学考试成绩进行分析，学生成绩呈正偏态分布，中位数为 84.0，P75～P25为 95.0～70.0 分（见图 1）。

图8 初始状态颗粒生成过程图

几何体和颗粒生成后，对转轴施加恒定转速度，使得回转副元素发生相对运动，观察颗粒在此过程中的变化情况，并对运动特性相关参数的变化曲线进行输出。通过仿真可以得出月尘颗粒在回转副中的聚集方式以及回转副元素发生相对运动过程中月尘颗粒的运动情况如图9所示。

(a)颗粒聚集堆积*b)颗粒局部卡死

(c)颗粒单侧挤压(d)转轴局部转矩

图9 月尘颗粒进入回转副仿真现象

从图9可以看出，仿真过程中月尘颗粒以及运动副的运动状态及受力情况，颗粒在回转副中出现聚集和堆积的现象，局部甚至产生颗粒受力剧增的情况。此外，在回转副元素发生相对运动的过程中，颗粒会出现一侧受力较小、另一侧受力较大的单侧挤压情况。

3.3月尘对运动副效应分析

在离散元仿真软件EDEM中，通过颗粒与颗粒、颗粒与几何体的接触检测进行受力分析和计算，只有足够充足的空间和足够稳定的状态才能保证颗粒存在于该位置，同时，在仿真中给定转轴恒定的转动速度，因此，无法通过离散元仿真模拟真实的卡死现象。但是，在仿真中可以通过转矩大小的变化来表征是否发生卡死现象，当转矩急剧增大，超出电机输出额定范围后，即可认为旋转机构已经出现卡死现象。

综合以上分析，对转轴转动过程中所受转矩随时间的变化进行分析，如图10所示为回转副元素相对运动过程中转轴所受转矩(T)随时间(t)变化曲线，由于转轴所受转矩为大量颗粒综合作用的结果，而颗粒位置、速度、受力等状态会发生瞬时变化，故转矩随时间变化曲线局部有轻微波动，但可以呈现转矩整体变化趋势。对整个转动过程进行综合分析，可以看出转轴所受转矩基本呈现周期变化，且转矩峰值基本保持不变；在一个周期内，即转轴转动一周的过程中，转矩呈现先增大后减小的趋势。

图10 回转副相对运动过程中转轴所受转矩随时间变化曲线

对起动初期转矩变化进行局部分析如图11所示，可以看出转轴开始运动时所受转矩基本保持在零附近，在转轴继续转动过程中，转矩逐渐上升并在达到峰值后缓慢下降。

图11 起动初期转轴所受转矩随时间变化曲线

分析原因，初始状态下，月尘颗粒均匀分布在轴孔间隙内，受力保持平衡，基本不会对转轴产生作用力矩；随着转轴的不断转动，月尘颗粒也在摩擦力和离心力的作用下开始运动，颗粒分布不均衡造成转轴转矩增加并最终达到峰值，如果此时电动机输出转矩足以克服阻力转矩，则转轴能够继续运动，所造成转矩急剧增大的月尘颗粒也会相应移动，转轴转矩开始逐渐下降；如果此时电动机输出转矩不足以克服转矩峰值，则转轴无法继续运动，发生卡死现象。此外，仿真结果还表明，在一个周期内，会出现转矩急剧增大的情况，且重复运动到该位置时会再次出现相同的情况，说明卡死一旦产生，就不易消除。因此，可以认为，月尘颗粒对运动副运动特性影响的离散元仿真基本能够对机构卡死现象进行模拟，并预测特定输出转矩下机构是否会发生卡死现象。

4 课堂应用规划

基于上述仿真，拟规划开发“月尘环境效应仿真实验”，使学生能够更直观地掌握月尘颗粒进入运动副、增大运动副阻力、进而造成运动副卡死的过程，从而加强对月尘环境效应的理解。而且通过仿真，可以从细微观和宏观两个角度理解月尘环境对运动副产生影响的过程，这是物理实验所不具备的技术优势。而且仿真实验的经济性和可操作性，也是物理实验无法比拟的[13-15]。

5 结 语

“月尘环境效应仿真实验”的成功开发，为飞行器制造工程专业的《空间技术概论》专业课课堂教学提供了新的途径。该方法可以大大降低实验的技术难度和经济成本，提高可行性，同时增强教学效果。在后续工作中，将进一步完善仿真实验模块，拓展仿真实验功能，并将该方法延伸至其他专业课的教学环节中，充分发挥虚拟仿真实验教学中心的平台效应，为培养更高层次的专业人才提供支撑。

[1] 童靖宇,李 蔓,白 羽,等.月尘环境效应及地面模拟技术[J].中 国空间科学技术,2013(2):78-83.

[2] 李雄耀,刘建忠,王世杰,等.月尘的基本特征与CLDS-1模拟月尘研制[C]∥中国空间科学学会空间生命起源与进化专业委员会与月球科学与比较行星学专业委员会2013年度学术研讨会论文集,2013:36-42.

[3] 曾令斌,邱宝贵,肖 杰,等.月面扬尘特性与月尘防护技术研究[J].上海航天,2015,32(1): 58-62.

[4] 贾 巍,黄三玻,倪家伟,等.月尘累积对太阳电池阵电帘除尘效率影响的实验研究[J].航天器环境工程 ISTIC,2014(2):182-185.

[5] 张一翔,沈志刚.月球尘埃特性及其对登月物的影响[C]∥颗粒学前沿问题研讨会——暨第九届全国颗粒制备与处理研讨会论文集,2009:382-387.

[6] Calle C I.Electo-dynamic dust shield for surface exploration activities on the moon and Mars[C]∥Proceedings of the International Astronautical Congress.Valencia,Spain,2006:188-193.

[7] 3DEC—3-D Distinct Element Code [M].ITASCA Consulting Group,1987:22-25.

[8] Liu Y,Schnare D,Park J S,etal.Shape analyses of lunar dust particles for astronaut toxicological studies[C].Lunar and Planetary Institute Science Conference Abstracts,2007(38): 1383-1396.

[9] Park J,Liu Y,Kihm K D,etal.Characterization of lunar dust for toxicological studies.I: Particle size distribution[J].Journal of Aerospace Engineering,2008,21(4): 266-271.

[10] 孙其诚,王光谦.颗粒物质力学导论[M].北京：科学出版社,2009:15.

[11] 侴万禧.离散单元法的基本原理及其在岩体工程中的应用[J].岩石力学与工程学报,1986,5(2): 165-172.

[12] 王海龙.月球车轮扬尘仿真分析与实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2013:52-58.

[13] 周学东,张凌琳,叶 玲,等.虚拟仿真技术在口腔医学教育领域的应用[J].实验技术与管理，2014,31(5):4-6.

[14] 张智焕,张惠娣.机械工程控制的虚拟仿真实验教学实践[J].实验技术与管理，2014,31(7):102-103.

[15] 黄 坪,李红松,潘克俭,等.基于MOOC的医学虚拟仿真实验室建设探讨[J].实验技术与管理，2014,31(12):104-106.

Design and Development for Simulation Experiment of Lunar Dust Environment and Effect Based on EDEM

HOUXuyan,PANXudong,YUEHonghao,YANJihong,SONGBaoyu，HUANGWentao

(School of Mechatronics Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

The State-level High-end Equipment Manufacturing Virtual and Simulation Laboratory Teaching Center of Harbin Institute of Technology was taken oneself advantages,a simulation experiment of Lunar dust environment and effect was developed based on EDEM in this paper.It serviced for the chapter of "Lunar Environment and Its Simulation Test Technology" in the basic course of Aircraft Manufacturing Engineering.The disadvantages of great difficulty and high cost were also overcome.The students can get clear understanding of the Lunar dust environment and its effect from the simulation experiment.And a new way was provided for the classroom teaching.

virtual simulation; experiment teaching center platform; lunar dust environment; discrete element method

2016-10-25

国家自然科学基金面上基金(51575123)资助;黑龙江省高等教育学会“十三五”高等教育科研课题重点课题(16Z001);黑龙江省教育科学“十三五”规划2016年度重点课题(GJB1316020);黑龙江省教育科学“十三五”规划2016年度备案课题(GJD1316008);哈尔滨工业大学高端装备制造虚拟仿真实验教学中心平台

侯绪研(1982-),男,黑龙江大庆人,博士，副教授,主要研究方向为离散元仿真技术。

Tel.：13936647801; E-mail:houxuyan@hit.edu.cn

TP 391.0; G 642.0

：A

1006-7167(2017)07-0086-06