基于应力波反射法的模拟月壤特性研究*

□ 田 野 □ 李晨昊 □ 李楠楠 □ 赵 宇 □ 于佳鑫 □ 葛坦龙

哈尔滨商业大学 轻工学院 哈尔滨 150028

1 研究背景

我国是世界上第三个实现月球采样返回的国家,在探索月球时发现了无法实时辨识钻进采样对象的问题[1-2]。

应力波反射法在锚杆无损检测、桩身缺陷分析、钻进对象识别等方面有广泛应用,通过低应变反射波可进行桩基检测,在发现浅层部位信号异常时可以清楚识别浅层缺陷[3-4]。刘飞等[5]建立了钻杆与月壤相互作用的力学模型,奠定了钻杆与月壤相互作用的理论基础。王晓瑜[6]建立了液压锚杆钻机冲击钻进的有限元模型,分析了应力波的产生、传递及冲击能大小对钻进效果的影响,验证了应力波及冲击能随时间的变化情况与锚杆钻机实际工况相一致。刘刚等[7]提出了一种钻头钻进不同介质时的振动信号特征识别方法,通过提取和处理特征信号,区分钻进地层的特性。张建霖等[8]通过建立桩-土系统力学模型,提出了考虑桩土相互作用的应力波动方程特征线解法,应用优化方法对桩身缺陷进行定量识别。路明雨等[9]进行了地外天体采样器钻进过程的仿真分析,得出冲击机构在冲击钻进过程中应力波的产生、传递,以及钻进碎岩效果。李文[10]采用钻进响应特性来识别岩体特性,基于钻进动力学模拟系统开展了岩体的钻进响应特征研究,获取钻杆中的应力波,作为响应特性的评价指标。

基于钻进对象的特征辨识经验,可以采用冲击钻具与应力波反射法相结合的方式,对模拟月壤的特性进行辨识。笔者将数值模拟与钻进试验相结合,通过建立应力波反射法有限元模型,进行仿真试验,分析不同工况条件下的月壤反射波特性,研究钻具中应力波的传播规律,并根据钻具中反射波的时域特性,来区别钻进对象的不同工况。

2 应力波反射法

应力波反射法广泛应用于桩基检测、冲击辨识等领域。将应力波反射法应用于月壤特性识别时,可以结合冲击钻杆对钻进对象的特性进行识别[7]。霍普金森压杆试验装置主要由动力加载装置、试验杆系统、数据采集系统组成。测试时,试件放置于入射杆和透射杆之间,通过动力加载装置对撞击杆进行加速,撞击入射杆产生的应力波沿杆传递,经入射杆、试件、透射杆、吸收杆,最后由阻尼器吸收。当撞击杆加速后对入射杆产生冲击时,在入射杆和透射杆中将产生相应的应力,此时应力在弹性变形的弹性体中以波的形式向前传播。入射波作用在不同模拟月壤上,将产生透射波和反射波,如图1所示。通过对反射波数据的接收、放大、滤波等处理,可以识别出不同特性模拟月壤的反射信息。

▲图1 应力波传递

霍普金森压杆试验基于一维应力波理论进行,入射杆与模拟月壤界面的动态力P1为:

P1=AE(εi+εr)

(1)

透射杆与模拟月壤界面的动态力P2为:

P2=AEεt

(2)

入射杆与模拟月壤界面的速度v1为:

v1=c(εi-εr)

(3)

透射杆与模拟月壤界面的速度v2为:

v2=cεt

(4)

式中:E为杆的杨氏模量;A为杆的截面面积;c为杆中一维应力波的传播速度;εi为入射波应变幅值;εr为反射波应变幅值;εt为透射波应变幅值。

3 仿真建模

基于有限元方法分别建立撞击杆、入射杆,以及采集透射波所需要的透射杆的三维模型。根据试样大小建立模拟月壤试样的三维模型。杆系参数见表1,冲击试验杆系统有限元模型如图2所示。

表1 杆系参数

均质模拟月壤试样密度为1 500 g/m3,弹性模量为108 MPa,泊松比为0.32。初始条件包括撞击杆速度和测量点位置,撞击杆的初始冲击速度分别设为1 m/s、2 m/s、5 m/s。

4 模拟结果

模拟月壤颗粒是疏松多孔的孔隙材料,由颗粒骨架和孔隙组成。颗粒间为点接触,各个颗粒紧密连接成土骨架。不同冲击速度下入射杆中的应力曲线如图3所示。

▲图2 冲击试验杆系统有限元模型

▲图3 不同冲击速度下入射杆中应力曲线

由图3可以说明,在不同冲击速度条件下,入射波产生的应力随着冲击速度的增大而增大,在平稳阶段后产生一个峰值,随后减小并趋于平稳。反射波产生的应力峰值也随冲击速度的增大而增大,应力由平稳阶段逐渐增大,达到峰值后呈现振荡,随后减小。

5 模拟月壤冲击试验

试验采用分离式霍普金森压杆试验装置,如图4所示。试验采用的撞击杆、入射杆、透射杆尺寸参数与仿真模型杆系参数相同。为满足霍普金森杆一维应力假设及应力均匀性假设,采用φ39.1 mm×20 mm试样进行动态特性试验。

针对探月工程月球次表层钻进取心采样任务,共制备四类模拟月壤,分别为均质模拟月壤、模拟月岩、模拟临界尺度颗粒,以及含水率10%的模拟含水月壤。四类模拟月壤如图5所示。

将四类模拟月壤制成可供霍普金森压杆试验装置使用的试样。月壤是一种低阻抗材料,一般认为应力波必须在试样内部反射三四次,才能保证试样应力平衡。为延长入射波幅值增大时间,设计了波形整形装置,在入射杆与撞击杆之间加装较软的垫片,来实现对入射波的过滤作用,延长入射波幅值增大时间,使试样有足够的时间达到应力平衡。

▲图4 霍普金森压杆试验装置

▲图5 模拟月壤

根据霍普金森压杆试验原理,弹性应力波传播到试样表面会压缩试样,试样的形状发生变化被压缩。试样两端的变化会导致贴在入射杆和透射杆上的电阻应变片中金属丝长度和横截面积产生变化,采用超动态应变仪记录电阻应变片两端电压随时间的变化,来得到材料中应变与时间的关系。应用霍普金森压杆试验数据处理软件,可以得到采用四类模拟月壤时入射杆中应力与时间的关系和入射杆中应力波波速与时间的关系,分别如图6、图7所示。

由图6、图7可以看出采用不同模拟月壤时入射杆中应力波的传播规律,并且不同模拟月壤的冲击反射波有明显差异。对比杆系中应力与时间关系和波速与时间关系,可以区分模拟月壤特性,为无人自主钻取采样工作中钻具底端月壤的识别提供参考。

▲图6 入射杆中应力与时间关系

▲图7 入射杆中应力波波速与时间关系

6 结束语

笔者通过理论分析、仿真模拟和试验,得到两方面结论。

比较仿真结果,不同工况下模拟月壤的入射波基本一致,说明仿真结果重复性强,仿真模型可靠。均质模拟月壤反射波衰减较小,模拟月岩反射波衰减较大,说明不同模拟月壤的波阻抗率不同,可以利用反射波特征对不同月壤进行辨识。

根据应力波在不同模拟月壤中的传播情况,可以分辨出应力波波速大小,基于一维应力波传播理论,可以对不同月壤特性进行辨识,即可以通过应力波不同的波速来区分钻进对象的特性。

笔者的研究为月壤的辨识提供了参考。