一种低重力环境下模拟月壤力学性能的测定方法技术

本发明专利技术公开了一种低重力环境下模拟月壤力学性能的测定方法，该方法是使用专用的低重力环境模拟装置，通过倾斜试验台面，在分力方向模拟低重力环境，倾斜过程中产生的各种分力与倾斜角度相关；模拟过程中通过散粒体体力分布试验对土体内部受力状态进行检测，以作为模拟月壤力学性能测定试验的基础试验；用以评估模拟月壤在1g重力场和低重力场下的力学性能参数，包括有沉陷指数n，内聚变形模量KC，摩擦变形模量Kφ，内摩擦角φ，内聚力c，圆锥指数CI值。上述参数可以通过模拟月壤承压特性实验、剪切特性试验、贯入特性试验获得。本发明专利技术利用专用的低重力环境模拟试验装置，同时完成1g地面重力环境和低重力环境下模拟土壤力学参数的测试，以对比分析不同重力场下月壤的力学特性的差异，揭示深空重力环境下土壤机器的相互作用关系。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到土工试验方面的
具体来说，涉及。
技术介绍
月壤处于月表，与地球土壤的形成过程不同，是在O2，水等都不存在的情况下通过撞击、轰击等过程形成，具有松散、非固结、细颗粒的特点。月表重力环境是地面重力的1/6，低重力环境使得月壤颗粒间的束缚力小于地表环境下模拟月壤颗粒间的束缚力，进而影响月壤的承压、抗剪切等性能。为保证月面巡视探测、采样和软着陆等任务顺利开展，有必要研究Ig重力场和低重力场下月壤力学性质的差异。目前，国内外针低重力环境对模拟月壤力学性能影响的研究方法有:飞机抛物线飞行法、落塔法、重力补偿法(悬吊法)、轻质土壤法、分力法和仿真法等。其中，飞机抛物线飞行法和落塔法，试验价格昂贵，获得低重力环境时间短、性能不稳定，可重现性差，且能够完成的试验种类及次数有限；重力补偿法(悬吊法)不适合研究低重力环境下月壤的力学性能；轻质土壤法难以找到适当的轻质材料作为制备模拟月壤的原料；计算机仿真法强烈依赖基本模型及可以对比的试验数据，而可用、可靠的试验数据相当有限。综上所述，现有模拟月壤力学性能的测试方法，难以研究低重力环境对模拟月壤力学性能的影响。为弥补以上方法的不足，本专利技术利用专用的低重力环境模拟试验装置，同时完成Ig地面重力环境和低重力环境下模拟土壤力学参数的测试，以对比分析不同重力场下月壤的力学特性的差异，揭示深空重力环境下土壤机器的相互作用关系。
技术实现思路
本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提供一种测定低重力环境下模拟月壤力学行为的试验方法，以便更为准确地评价低重力环境对模拟月壤力学性能的影响。该试验方法费用低，试验设备稳定、试验时间不受限制、试验可重现性高、试验结果可靠真实、试验数据精度较高。本专利技术利用专用的低重力环境模拟试验装置，同时完成Ig地面重力环境和低重力环境下模拟土壤力学参数的测试，以对比分析不同重力场下月壤的力学特性的差异，揭示深空重力环境下土壤机器的相互作用关系。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为:使用专用的低重力环境模拟装置，通过倾斜试验台面，在分力方向模拟低重力环境，倾斜过程中产生的各种分力与倾斜角度相关；模拟过程中通过散粒体体力分布试验对土体内部受力状态进行检测，以作为模拟月壤力学性能测定试验的基础试验；用以评估模拟月壤在Ig重力场和低重力场下的力学性能参数，包括有沉陷指数Π，内聚变形模量Kc，摩擦变形模量K41，内摩擦角Φ，内聚力C，圆锥指数Cl值；上述参数可以通过模拟月壤承压特性实验、剪切特性试验、贯入特性试验获得。(I)散粒体体力分布试验是一种测定土体内部受力状态的试验，试验方法包括以下步骤:(1.1)不同紧实状态的模拟月壤整备方法:采用多次翻松、分层轻压、分层反复压实等整备方法，使模拟月壤表现出不同的紧实状态，利用称量法测定模拟月壤在不同紧实状态下的容重，并通过计算得到模拟月壤的孔隙度和孔隙率，用以衡量月壤的紧实状态；(1.2)试验利用300X300X300mm的土槽盛装模拟月壤，并将土槽放在低重力环境模拟试验装置的可倾斜L型板上；试验前，根据需要，在土槽内的不同试验点埋置压力传感器；按照模拟月壤的不同紧实状态预先称量好所需的模拟月壤的质量，并采用(I)中的整备方法，分层整备模拟月壤，同时逐层逐点埋放压力传感器，以测定不同紧实度下的模拟月壤土体内部压力分布情况；(1.3)试验时，通过涡轮减速机使试验台的可倾斜底板带动L型板和搭载在L型板上的试验土槽倾斜至所需的角度，静止2min，待土槽内的土壤达到新的稳态后，通过数据移动采集系统采集不同倾斜角度下模拟月壤在不同试验点的轴向分力及侧向分力，得到模拟月壤在不同倾斜角度下的土体内部压力分布情况；(1.4)每一个试验样品重新整备，重复上述试验方法进行散粒体体力分布试验；(2)模拟月壤承压特性试验的试验方法包括以下步骤:(2.1)试验利用300X 300X 300mm的土槽装满模拟月壤,按照(1.1)所述的整备方法整备好不同紧实状态的模拟月壤，放在试验台的L型板上；(2.2)试验选用不同半径的钢性圆形压板；试验前，通过压缩电机带动钢性圆形压板下压至模拟月壤的表面后，加盖；通过涡轮减速机使试验台的可倾斜底板带动L型板和搭载在L型板上的试验 土槽倾斜至所需的角度，静止2min，使土槽内的土壤达到新的稳态。(2.3)试验时，通过压缩电机带动钢性圆形压板下压，达到预定压力后，自动停止下压，通过测控装置采集不同倾斜角度下，模拟月壤的力-位移变化曲线；(2.4)每一个试验样品重新整备，重复上述试验方法进行承压特性试验；(2.5)采用Bekker承压模型计算得到沉陷指数n，内聚变形模量K。，摩擦变形模量Κφ ；(3)模拟月壤抗剪切特性试验的试验方法包括以下步骤:(3.1)试验所采用的剪切箱分为剪切上箱和剪切下箱，其中剪切上箱固定在试验台的底板上，剪切下箱连有滚珠，搭载在L型板上且可以移动；剪切上箱和剪切下箱的尺寸相同，均为260mmX260mmX200mm ;剪切上箱和剪切下箱通过定位销固定在一起，总体容积为:2X200mm(h) X25434mm2,箱体可盛装土壤的部分横截面是半径为90mm的圆；采用(1.1)所述的整备方法，在直剪箱内整备出不同紧实度的试验样品；(3.2)试验前，设定需要加载的轴向压力，通过压缩电机带动半径为90mm的钢性圆形压板下压至模拟月壤，压力达到预设压力后，自动停止下压，并保持轴向加载压力；通过涡轮减速机使试验台的可倾斜底板带动试验用直剪箱倾斜至所需的角度，静止2min，使土槽内的土壤达到新的稳态；(3.3)试验时，通过剪切电机推动剪切下箱匀速移动，通过测控装置采集推动过程中，不同倾斜角度下，模拟月壤力-位移变化曲线；(3.4)试验预设两组载荷，分别为大载荷组和小载荷组，每组载荷包括四个级别的轴向加载压力；试验同时需要测定不同倾斜状态下，空载时，剪切上箱和剪切下箱以及剪切下箱和L型板所产生的摩擦力，并在数据处理时予以剔除，以获得不同倾斜角度下土壤面的剪切力；每一个试验样品重新整备，重复上述试验方法进行抗剪切特性试验；(3.5)采用摩尔-库伦模型计算得到内摩擦角Φ，内聚力c ；(4)模拟月壤贯入特性试验的试验方法包括以下步骤:(4.1) 试验利用300X 300X 300mm的土槽装满模拟月壤，按照(1.1)所述的整备方法整备好不同紧实状态的模拟月壤，放在试验台的L型板上；(4.2)试验选用不同半径的钢性锥头，并设计不同的下压试验点；试验前，对试验土槽加盖，需要在土槽盖上根据锥头尺寸和压点位置钻出圆孔并安装可以活动的挡片随时开启或关闭某一圆孔；通过涡轮减速机使试验台的可倾斜底板带动L型板和搭载在L型板上的试验土槽倾斜至所需的角度；(4.3)通过调整上联板上的梯形丝杠带动压缩电机左右移动，通过调整下联板上的梯形丝杠带动L型板前后移动，以使连接在压缩电机上的钢性锥头正好对准压点；通过压缩电机带动锥头下压至箱盖表面，静止2min，使土槽内的土壤达到新的稳态；(4.4)试验时，移开挡板，压缩电机会带动钢性锥头下压，达到所需压下深度后停止下压，通过测控装置采集不同倾斜角度下，模拟月壤的力-位移变化曲线；完成数据采集后，令压缩电机带动锥头退回后，重新拨动挡板挡住本次试验的下压点，完成一次数据采集本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低重力环境下模拟月壤力学性能的测定方法，该方法是：使用低重力环境模拟装置，通过倾斜试验台面，在分力方向模拟低重力环境，倾斜过程中产生的各种分力与倾斜角度相关；模拟过程中通过散粒体体力分布试验对土体内部受力状态进行检测，以作为模拟月壤力学性能测定试验的基础试验；用以评估模拟月壤在1g重力场和低重力场下的力学性能参数，包括有沉陷指数n，内聚变形模量KC，摩擦变形模量Kφ，内摩擦角φ，内聚力c，圆锥指数CI值；上述参数通过模拟月壤承压特性实验、剪切特性试验和贯入特性试验获得。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邹猛，石睿杨，刘国敏，李建桥，樊世超，杨艳静，何玲，张晓东，黄涵，赵振家，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：