月壤样品袋整形缠绕运动分析与仿真

国树东， 王 刚， 齐朝晖*， 张欣刚， 魏 妹

(1.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，大连 116024；2.大连理工大学 海洋科学与技术学院，盘锦 124221); 3.青岛理工大学 理学院，青岛 266520)

1 引 言

月球探测是深空探测的基础，对于提高人类对宇宙的认识，推动科技和经济发展具有重要的意义[1，2]。目前，我国正在实施探月三期工程，目标是采集深度约2 m并保持层序信息的月壤样品[3，4]。

月壤样品钻取完成后，将采样样品收集于样品袋内，然后整形缠绕在回转卷筒上等待回收[5-8]。由于样品袋为柔性结构，在整形过程中极易发生重叠和滑落等现象，为了确定顺利缠绕的条件，需要对样品袋缠绕过程进行运动学建模和受力分析。

由于技术保密等原因，可参考的资料相对较少。刘天喜等[9,10]采用离散元法对整形过程中样品袋内的月壤进行了力学分析，为钻取机构设计提供了理论指导。但却无法模拟样品袋整形的整体运动过程，无法计算整形机构参数与各力学参量之间的关系。由于月壤颗粒数量庞大，还会出现计算量过大和计算时间较长等问题。

整形缠绕系统中，与卷筒接触的样品袋受到的是形状约束。学者们对形状约束问题做了大量研究，Hong等[11]为研究物体在一维介质中的运动提出了任意欧拉-拉格朗日绝对节点坐标单元(ALE-ANCF)，解除了单元节点与物质点的绑定，并在求解一些工程问题中得到了应用。Fu等[12]提出了一种多尺度索轮系统建模方法，索与轮非接触部分采用ALE单元建模，接触部分作为约束该单元的边界条件。……