侯緒研，潘旭東，岳洪浩，閆紀(jì)紅，宋寶玉,黃文濤

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

·專題研討——虛擬仿真實驗(47)·

基于EDEM的月塵環(huán)境效應(yīng)仿真實驗設(shè)計與開發(fā)

侯緒研，潘旭東，岳洪浩，閆紀(jì)紅，宋寶玉,黃文濤

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

利用學(xué)校高端裝備制造虛擬仿真實驗教學(xué)中心平臺，面向飛行器制造工程專業(yè)基礎(chǔ)課“空間技術(shù)概論”中的“月球環(huán)境及其模擬試驗技術(shù)”章節(jié)，針對月面環(huán)境物理模擬難度大、成本高等缺點，基于離散元仿真軟件EDEM，結(jié)合已有科研成果，設(shè)計開發(fā)“月塵環(huán)境效應(yīng)仿真實驗”，模擬月塵環(huán)境及其對空間運動副產(chǎn)生的影響，從而使學(xué)生能夠在課堂環(huán)境中即可直觀地感受月塵環(huán)境及其效應(yīng)，為專業(yè)課教學(xué)提供了新的途徑。

虛擬仿真; 實驗教學(xué)中心平臺; 月塵環(huán)境; 離散元法

0 引 言

“空間技術(shù)概論”是我校飛行器制造工程專業(yè)面向大三本科生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講授空間環(huán)境的分類、效應(yīng)、地面模擬試驗方法等，包括空間真空環(huán)境、空間磁環(huán)境、微重力環(huán)境、空間碎片與微流星環(huán)境效應(yīng)、空間粒子輻射環(huán)境、原子氧環(huán)境、等離子體環(huán)境等；通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生初步了解到空間環(huán)境的分類、以及空間環(huán)境對航天器的作用機理，為學(xué)習(xí)飛行器專業(yè)后續(xù)課程打下基礎(chǔ)。課程第九章為月球環(huán)境及其模擬試驗技術(shù)，主要講授月球環(huán)境、月球環(huán)境對航天器的影響以及月球環(huán)境模擬與試驗方法。

月塵是月球環(huán)境中的一個重要因素，月塵對月面活動具有重要影響，對探測器的性能和壽命產(chǎn)生重要影響，直接影響探月工程的可靠性和工程目標(biāo)的完成。專家推測，目前我國玉兔號月球車出現(xiàn)的異常狀態(tài)，其原因極有可能是月塵滲入密封器件、進入了運動部件的間隙處，在月面高低溫環(huán)境的作用下，造成了運動副的磨損與卡死，從而影響了月球車的正常工作。之后的探月三期工程、載人登月工程、月球基地工程也都將面臨月塵環(huán)境的嚴(yán)峻考驗。

目前世界上只有美國和前蘇聯(lián)成功采集月塵樣品返回地球，我國受贈于美國的0.5 g月塵樣品已永久封存于中國科學(xué)院，因此無法直觀講授該章節(jié)內(nèi)容。而地面模擬實驗所需條件極其苛刻，目前國內(nèi)只有中國空間技術(shù)研究院擁有相關(guān)設(shè)備條件，而且工程任務(wù)繁重[1]。因此，為了更好地讓學(xué)生掌握月塵環(huán)境及其效應(yīng)，現(xiàn)將多年科研成果轉(zhuǎn)化至課堂教學(xué)，利用最新的虛擬仿真技術(shù)對月塵環(huán)境進行模擬，并設(shè)計開發(fā)相關(guān)仿真實驗，鞏固課堂教學(xué)成果。

1 月塵的理化特性

月壤(lunar regolith)被定義為月球表面的一層碎屑或松散的礦物質(zhì)，這些碎屑或礦物質(zhì)或者固定在一處，或者懸浮于空中，不同的地方也許具有不同的化學(xué)特性。而月塵(lunar dust或lunar soil)是由月壤表層更加微小的顆粒組成。月塵由于暴露在高能帶電粒子和微流星的輻射環(huán)境下，形成了月塵微米級顆粒粒徑、尖角狀顆粒形態(tài)、表面帶靜電的特點。此外，月塵粒子的質(zhì)量、硬度、形態(tài)、大小、熱傳導(dǎo)率、電荷和顏色與地球上的粉塵都有很多明顯的不同。月塵顆粒的掃描電鏡如圖1所示。其物理特性參數(shù)如表1所示[2]。

2 月塵環(huán)境效應(yīng)

揚起和懸浮的月塵顆粒因其黏附特性會附著在與其接觸的各類表面上，嚴(yán)重影響航天器和探測儀器的可靠性。

(1) 沉積污染效應(yīng)。沉積污染效應(yīng)主要是指由于自然現(xiàn)象或者人類活動造成的揚塵沉積在登月設(shè)備的表面，從而對材料表面性能產(chǎn)生影響。沉積效應(yīng)會降低材料表面的性能；月塵會污染溫控表面，造成太陽吸收率和熱發(fā)射率變化，導(dǎo)致溫控系統(tǒng)故障；月塵會污染光學(xué)表面，降低透射率等光學(xué)參數(shù)，使光學(xué)儀器性能下降；月塵污染會造成太陽電池陣電池片光電轉(zhuǎn)換效率下降，使太陽電池陣輸出功率降低。月面超高真空環(huán)境下，月塵沉積變得十分致密，靜電也會加重月塵沉積影響(見圖2)。

表1 月塵物理特性

(2) 磨損效應(yīng)。月塵的粒度小、干燥、顆粒形狀尖銳、硬度高，因此月塵可以被看作是一種特殊的“研磨劑”。月塵的這種特性使得與其作任何相對運動的接觸面產(chǎn)生劃痕，尤其是往復(fù)運動或旋轉(zhuǎn)運動的表面會被磨損，甚至造成表面材料或涂層被剝落。宇航員進行8 h月面活動后，宇航服就變得陳舊。在地面活動訓(xùn)練服變得陳舊則需要100 h。宇航服頭盔視窗玻璃由于劃痕，看到的東西變得模糊。地面試驗也證實了細(xì)小塵埃顆粒對月球車輪具有明顯的磨損(見圖3)。

(3) 阻塞效應(yīng)。月塵附著在活動機構(gòu)的表面會增加活動機構(gòu)的阻力，有時甚至發(fā)生卡死現(xiàn)象。幾乎所有的阿波羅探月工程技術(shù)報告都提到了這一問題，問題發(fā)生在鎖扣、設(shè)備搬運、相機設(shè)備等上，甚至真空吸塵器也會發(fā)生問題。報告指出尼龍繩的鎖扣由于月塵的原因變得不能使用，拉鏈也發(fā)生同樣的問題。

(4) 滲入效應(yīng)。細(xì)小粉塵極具滲入性。月塵的這種特性不僅危及活動的機械部件，也會對航天員的生命支持系統(tǒng)產(chǎn)生危害。阿波羅14曾經(jīng)發(fā)生過試驗儀器開關(guān)失靈的情況，原因就是粉塵進入了開關(guān)，并在阿波羅16中作了修改，成功地改善了開關(guān)的防塵效果。

(5) 靜電效應(yīng)。月塵帶電會使得登月設(shè)備發(fā)生充放電現(xiàn)象，對設(shè)備的電子元器件產(chǎn)生影響。帶電月塵的電荷累積可能引起太陽電池陣漏電及局部放電，造成太陽電池陣工作異常甚至損傷。同時月塵帶電會增強月塵的吸附特性，加重污染程度[3-6]。

3 月塵環(huán)境效應(yīng)仿真實驗設(shè)計

3.1基于EDEM的月塵顆粒仿真建模

(1) 月塵顆粒形狀建模。如前所述，月塵顆粒形狀極不規(guī)則。利用顆粒圖像分析儀，測量模擬月塵形狀顆粒，提取其輪廓特征，并用分形維數(shù)理論進行建模。在此基礎(chǔ)上，在EDEM中，利用離散元團顆粒法[7-9]，建立不規(guī)則形狀月塵顆粒的離散元仿真模型，如圖4所示。

(a) 分形維數(shù)2.2

(c) 分形維數(shù)2.4

(d) 分形維數(shù)2.5

(e) 分形維數(shù)2.6

圖4 不規(guī)則形狀月塵顆粒的離散元仿真模型

(2) 參數(shù)匹配。由于月塵的機械特性參數(shù)與離散元參數(shù)無法一一對應(yīng)，需要進行參數(shù)匹配[10]。利用EDEM 專用模塊 Generic EDEM Material Model (GEMM) database，對月塵的離散元仿真參數(shù)及其與運動副間作用的離散元仿真參數(shù)進行匹配。具體匹配結(jié)果如表2～4所示。匹配步驟如圖5所示。

表2 材料機械特性參數(shù)

表3 月塵自身接觸屬性參數(shù)

表4 月塵與運動副接觸屬性參數(shù)

3.2月塵對運動副效應(yīng)仿真建模

在月面探測過程中，月塵顆粒會逐漸進入探測器運動副間隙，在運動副元素發(fā)生相對運動的過程中逐漸積累并不斷移動，最終可能造成局部載荷過大甚至出現(xiàn)運動副卡死現(xiàn)象。本節(jié)以回轉(zhuǎn)副為例，針對月塵顆粒對運動副影響這一問題進行離散元仿真，通過仿真過程中顆粒的流動規(guī)律和各項參數(shù)的變化情況對月塵顆粒的影響規(guī)律進行探究。

(a) 步驟1 選擇設(shè)備尺度

(b) 步驟2 選擇月塵顆粒密度

(c) 步驟3 輸入月塵顆粒堆積角

離散元軟件EDEM支持Solidworks、Pro/E、UG、CATIA等主流三維CAD軟件，對于復(fù)雜幾何體的建?？梢灾苯訉?dǎo)入CAD模型進行網(wǎng)格劃分和仿真計算。為了對進入月塵顆粒后回轉(zhuǎn)副的運動特性變化進行仿真，采用三維建模軟件Solidworks建立仿真模型如圖6所示，其尺寸定義為孔內(nèi)徑11 mm，軸外徑10.6 mm，軸孔間同軸間隙為0.2 mm。

(a)Solidworks三維模型(b)EDEM幾何體網(wǎng)格劃分

圖6 離散元仿真回轉(zhuǎn)副三維模型

為了更好地利用仿真模擬月塵顆粒進入輪軸間隙造成卡死的現(xiàn)象，采用輪軸間隙內(nèi)顆粒完全填充的方式進行離散元仿真。創(chuàng)建如圖7所示的顆粒工廠幾何體，將顆粒生成區(qū)域限制在輪軸間隙內(nèi)。顆粒工廠幾何體設(shè)置為虛擬形式，因此，它只對顆粒生成區(qū)域產(chǎn)生影響，而不會在仿真過程中對顆粒起到位置約束或力約束。

(a)顆粒工廠幾何體(b)顆粒工廠生成

圖7 離散元仿真顆粒工廠

在月塵顆粒的生成過程中，為了更好地接近實際情況，同時將形狀參數(shù)引入仿真中，按照不規(guī)則顆粒分布建模所得到的分布規(guī)律進行顆粒工廠生成和顆粒參數(shù)設(shè)置。顆粒生成過程中，為了保證顆粒堆積足夠密實，采用圖8所示的方式生成顆粒[11-12]，通過隨機填充、自由下落兩個過程循環(huán)進行的方式多次填充，直至顆粒靜置后無法再次生成顆粒為止。

對被調(diào)查學(xué)生的醫(yī)學(xué)統(tǒng)計學(xué)考試成績進行分析，學(xué)生成績呈正偏態(tài)分布，中位數(shù)為 84.0，P75～P25為 95.0～70.0 分（見圖 1）。

圖8 初始狀態(tài)顆粒生成過程圖

幾何體和顆粒生成后，對轉(zhuǎn)軸施加恒定轉(zhuǎn)速度，使得回轉(zhuǎn)副元素發(fā)生相對運動，觀察顆粒在此過程中的變化情況，并對運動特性相關(guān)參數(shù)的變化曲線進行輸出。通過仿真可以得出月塵顆粒在回轉(zhuǎn)副中的聚集方式以及回轉(zhuǎn)副元素發(fā)生相對運動過程中月塵顆粒的運動情況如圖9所示。

(a)顆粒聚集堆積*b)顆粒局部卡死

(c)顆粒單側(cè)擠壓(d)轉(zhuǎn)軸局部轉(zhuǎn)矩

圖9 月塵顆粒進入回轉(zhuǎn)副仿真現(xiàn)象

從圖9可以看出，仿真過程中月塵顆粒以及運動副的運動狀態(tài)及受力情況，顆粒在回轉(zhuǎn)副中出現(xiàn)聚集和堆積的現(xiàn)象，局部甚至產(chǎn)生顆粒受力劇增的情況。此外，在回轉(zhuǎn)副元素發(fā)生相對運動的過程中，顆粒會出現(xiàn)一側(cè)受力較小、另一側(cè)受力較大的單側(cè)擠壓情況。

3.3月塵對運動副效應(yīng)分析

在離散元仿真軟件EDEM中，通過顆粒與顆粒、顆粒與幾何體的接觸檢測進行受力分析和計算，只有足夠充足的空間和足夠穩(wěn)定的狀態(tài)才能保證顆粒存在于該位置，同時，在仿真中給定轉(zhuǎn)軸恒定的轉(zhuǎn)動速度，因此，無法通過離散元仿真模擬真實的卡死現(xiàn)象。但是，在仿真中可以通過轉(zhuǎn)矩大小的變化來表征是否發(fā)生卡死現(xiàn)象，當(dāng)轉(zhuǎn)矩急劇增大，超出電機輸出額定范圍后，即可認(rèn)為旋轉(zhuǎn)機構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

綜合以上分析，對轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動過程中所受轉(zhuǎn)矩隨時間的變化進行分析，如圖10所示為回轉(zhuǎn)副元素相對運動過程中轉(zhuǎn)軸所受轉(zhuǎn)矩(T)隨時間(t)變化曲線，由于轉(zhuǎn)軸所受轉(zhuǎn)矩為大量顆粒綜合作用的結(jié)果，而顆粒位置、速度、受力等狀態(tài)會發(fā)生瞬時變化，故轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線局部有輕微波動，但可以呈現(xiàn)轉(zhuǎn)矩整體變化趨勢。對整個轉(zhuǎn)動過程進行綜合分析，可以看出轉(zhuǎn)軸所受轉(zhuǎn)矩基本呈現(xiàn)周期變化，且轉(zhuǎn)矩峰值基本保持不變；在一個周期內(nèi)，即轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動一周的過程中，轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

圖10 回轉(zhuǎn)副相對運動過程中轉(zhuǎn)軸所受轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線

對起動初期轉(zhuǎn)矩變化進行局部分析如圖11所示，可以看出轉(zhuǎn)軸開始運動時所受轉(zhuǎn)矩基本保持在零附近，在轉(zhuǎn)軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動過程中，轉(zhuǎn)矩逐漸上升并在達(dá)到峰值后緩慢下降。

圖11 起動初期轉(zhuǎn)軸所受轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線

分析原因，初始狀態(tài)下，月塵顆粒均勻分布在軸孔間隙內(nèi)，受力保持平衡，基本不會對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生作用力矩；隨著轉(zhuǎn)軸的不斷轉(zhuǎn)動，月塵顆粒也在摩擦力和離心力的作用下開始運動，顆粒分布不均衡造成轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩增加并最終達(dá)到峰值，如果此時電動機輸出轉(zhuǎn)矩足以克服阻力轉(zhuǎn)矩，則轉(zhuǎn)軸能夠繼續(xù)運動，所造成轉(zhuǎn)矩急劇增大的月塵顆粒也會相應(yīng)移動，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩開始逐漸下降；如果此時電動機輸出轉(zhuǎn)矩不足以克服轉(zhuǎn)矩峰值，則轉(zhuǎn)軸無法繼續(xù)運動，發(fā)生卡死現(xiàn)象。此外，仿真結(jié)果還表明，在一個周期內(nèi)，會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩急劇增大的情況，且重復(fù)運動到該位置時會再次出現(xiàn)相同的情況，說明卡死一旦產(chǎn)生，就不易消除。因此，可以認(rèn)為，月塵顆粒對運動副運動特性影響的離散元仿真基本能夠?qū)C構(gòu)卡死現(xiàn)象進行模擬，并預(yù)測特定輸出轉(zhuǎn)矩下機構(gòu)是否會發(fā)生卡死現(xiàn)象。

4 課堂應(yīng)用規(guī)劃

基于上述仿真，擬規(guī)劃開發(fā)“月塵環(huán)境效應(yīng)仿真實驗”，使學(xué)生能夠更直觀地掌握月塵顆粒進入運動副、增大運動副阻力、進而造成運動副卡死的過程，從而加強對月塵環(huán)境效應(yīng)的理解。而且通過仿真，可以從細(xì)微觀和宏觀兩個角度理解月塵環(huán)境對運動副產(chǎn)生影響的過程，這是物理實驗所不具備的技術(shù)優(yōu)勢。而且仿真實驗的經(jīng)濟性和可操作性，也是物理實驗無法比擬的[13-15]。

5 結(jié) 語

“月塵環(huán)境效應(yīng)仿真實驗”的成功開發(fā)，為飛行器制造工程專業(yè)的《空間技術(shù)概論》專業(yè)課課堂教學(xué)提供了新的途徑。該方法可以大大降低實驗的技術(shù)難度和經(jīng)濟成本，提高可行性，同時增強教學(xué)效果。在后續(xù)工作中，將進一步完善仿真實驗?zāi)K，拓展仿真實驗功能，并將該方法延伸至其他專業(yè)課的教學(xué)環(huán)節(jié)中，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗教學(xué)中心的平臺效應(yīng)，為培養(yǎng)更高層次的專業(yè)人才提供支撐。

[1] 童靖宇,李 蔓,白 羽,等.月塵環(huán)境效應(yīng)及地面模擬技術(shù)[J].中 國空間科學(xué)技術(shù),2013(2):78-83.

[2] 李雄耀,劉建忠,王世杰,等.月塵的基本特征與CLDS-1模擬月塵研制[C]∥中國空間科學(xué)學(xué)會空間生命起源與進化專業(yè)委員會與月球科學(xué)與比較行星學(xué)專業(yè)委員會2013年度學(xué)術(shù)研討會論文集,2013:36-42.

[3] 曾令斌,邱寶貴,肖 杰,等.月面揚塵特性與月塵防護技術(shù)研究[J].上海航天,2015,32(1): 58-62.

[4] 賈 巍,黃三玻,倪家偉,等.月塵累積對太陽電池陣電簾除塵效率影響的實驗研究[J].航天器環(huán)境工程 ISTIC,2014(2):182-185.

[5] 張一翔,沈志剛.月球塵埃特性及其對登月物的影響[C]∥顆粒學(xué)前沿問題研討會——暨第九屆全國顆粒制備與處理研討會論文集,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] 孫其誠,王光謙.顆粒物質(zhì)力學(xué)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社,2009:15.

[11] 侴萬禧.離散單元法的基本原理及其在巖體工程中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,1986,5(2): 165-172.

[12] 王海龍.月球車輪揚塵仿真分析與實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013:52-58.

[13] 周學(xué)東,張凌琳,葉 玲,等.虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2014,31(5):4-6.

[14] 張智煥,張惠娣.機械工程控制的虛擬仿真實驗教學(xué)實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2014,31(7):102-103.

[15] 黃 坪,李紅松,潘克儉,等.基于MOOC的醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗室建設(shè)探討[J].實驗技術(shù)與管理，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

國家自然科學(xué)基金面上基金(51575123)資助;黑龍江省高等教育學(xué)會“十三五”高等教育科研課題重點課題(16Z001);黑龍江省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2016年度重點課題(GJB1316020);黑龍江省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2016年度備案課題(GJD1316008);哈爾濱工業(yè)大學(xué)高端裝備制造虛擬仿真實驗教學(xué)中心平臺

侯緒研(1982-),男,黑龍江大慶人,博士，副教授,主要研究方向為離散元仿真技術(shù)。

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

TP 391.0; G 642.0

：A

1006-7167(2017)07-0086-06