[发明专利]月壤水冰钻进过程样本温升仿真预示方法及系统

说明书

本发明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‑壤作用离散元温升模型。该方法增加了对流、热辐射等传热形式仿真，建立的仿真模型更接近真实情况，进而获得仿真模型可以对进行钻进过程中钻具和月壤水冰温升预示。

技术领域

本发明涉及月球水冰探测、温度场仿真技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明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：

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。

本发明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；

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；

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；