專利名稱：一種低重力環境下模擬月壤力學性能的測定方法
技術領域：
本發明涉及到土工試驗方面的技術領域。具體來說，涉及一種低重力環境下模擬月壤力學性能的測定方法。
背景技術：
月壤處于月表，與地球土壤的形成過程不同，是在O2，水等都不存在的情況下通過撞擊、轟擊等過程形成，具有松散、非固結、細顆粒的特點。月表重力環境是地面重力的1/6，低重力環境使得月壤顆粒間的束縛力小于地表環境下模擬月壤顆粒間的束縛力，進而影響月壤的承壓、抗剪切等性能。為保證月面巡視探測、采樣和軟著陸等任務順利開展，有必要研究Ig重力場和低重力場下月壤力學性質的差異。目前，國內外針低重力環境對模擬月壤力學性能影響的研究方法有:飛機拋物線飛行法、落塔法、重力補償法(懸吊法)、輕質土壤法、分力法和仿真法等。其中，飛機拋物線飛行法和落塔法，試驗價格昂貴，獲得低重力環境時間短、性能不穩定，可重現性差，且能夠完成的試驗種類及次數有限；重力補償法(懸吊法)不適合研究低重力環境下月壤的力學性能；輕質土壤法難以找到適當的輕質材料作為制備模擬月壤的原料；計算機仿真法強烈依賴基本模型及可以對比的試驗數據，而可用、可靠的試驗數據相當有限。綜上所述，現有模擬月壤力學性能的測試方法，難以研究低重力環境對模擬月壤力學性能的影響。為彌補以上方法的不足，本發明利用專用的低重力環境模擬試驗裝置，同時完成Ig地面重力環境和低重力環境下模擬土壤力學參數的測試，以對比分析不同重力場下月壤的力學特性的差異，揭示深空重力環境下土壤機器的相互作用關系。

發明內容
本發明目的在于針對現有技術的不足，提供一種測定低重力環境下模擬月壤力學行為的試驗方法，以便更為準確地評價低重力環境對模擬月壤力學性能的影響。該試驗方法費用低，試驗設備穩定、試驗時間不受限制、試驗可重現性高、試驗結果可靠真實、試驗數據精度較高。本發明利用專用的低重力環境模擬試驗裝置，同時完成Ig地面重力環境和低重力環境下模擬土壤力學參數的測試，以對比分析不同重力場下月壤的力學特性的差異，揭示深空重力環境下土壤機器的相互作用關系。為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:使用專用的低重力環境模擬裝置，通過傾斜試驗臺面，在分力方向模擬低重力環境，傾斜過程中產生的各種分力與傾斜角度相關；模擬過程中通過散粒體體力分布試驗對土體內部受力狀態進行檢測，以作為模擬月壤力學性能測定試驗的基礎試驗；用以評估模擬月壤在Ig重力場和低重力場下的力學性能參數，包括有沉陷指數Π，內聚變形模量Kc，摩擦變形模量K41，內摩擦角Φ，內聚力C，圓錐指數Cl值；上述參數可以通過模擬月壤承壓特性實驗、剪切特性試驗、貫入特性試驗獲得。(I)散粒體體力分布試驗是一種測定土體內部受力狀態的試驗，試驗方法包括以下步驟:(1.1)不同緊實狀態的模擬月壤整備方法:采用多次翻松、分層輕壓、分層反復壓實等整備方法，使模擬月壤表現出不同的緊實狀態，利用稱量法測定模擬月壤在不同緊實狀態下的容重，并通過計算得到模擬月壤的孔隙度和孔隙率，用以衡量月壤的緊實狀態；(1.2)試驗利用300X300X300mm的土槽盛裝模擬月壤，并將土槽放在低重力環境模擬試驗裝置的可傾斜L型板上；試驗前，根據需要，在土槽內的不同試驗點埋置壓力傳感器；按照模擬月壤的不同緊實狀態預先稱量好所需的模擬月壤的質量，并采用(I)中的整備方法，分層整備模擬月壤，同時逐層逐點埋放壓力傳感器，以測定不同緊實度下的模擬月壤土體內部壓力分布情況；(1.3)試驗時，通過渦輪減速機使試驗臺的可傾斜底板帶動L型板和搭載在L型板上的試驗土槽傾斜至所需的角度，靜止2min，待土槽內的土壤達到新的穩態后，通過數據移動采集系統采集不同傾斜角度下模擬月壤在不同試驗點的軸向分力及側向分力，得到模擬月壤在不同傾斜角度下的土體內部壓力分布情況；(1.4)每一個試驗樣品重新整備，重復上述試驗方法進行散粒體體力分布試驗；(2)模擬月壤承壓特性試驗的試驗方法包括以下步驟:(2.1)試驗利用300X 300X 300mm的土槽裝滿模擬月壤,按照(1.1)所述的整備方法整備好不同緊實狀態的模擬月壤，放在試驗臺的L型板上；(2.2)試驗選用不同半徑的鋼性圓形壓板；試驗前，通過壓縮電機帶動鋼性圓形壓板下壓至模擬月壤的表面后，加蓋；通過渦輪減速機使試驗臺的可傾斜底板帶動L型板和搭載在L型板上的試驗 土槽傾斜至所需的角度，靜止2min，使土槽內的土壤達到新的穩態。(2.3)試驗時，通過壓縮電機帶動鋼性圓形壓板下壓，達到預定壓力后，自動停止下壓，通過測控裝置采集不同傾斜角度下，模擬月壤的力-位移變化曲線；(2.4)每一個試驗樣品重新整備，重復上述試驗方法進行承壓特性試驗；(2.5)采用Bekker承壓模型計算得到沉陷指數n，內聚變形模量K。，摩擦變形模量Κφ ；(3)模擬月壤抗剪切特性試驗的試驗方法包括以下步驟:(3.1)試驗所采用的剪切箱分為剪切上箱和剪切下箱，其中剪切上箱固定在試驗臺的底板上，剪切下箱連有滾珠，搭載在L型板上且可以移動；剪切上箱和剪切下箱的尺寸相同，均為260mmX260mmX200mm ;剪切上箱和剪切下箱通過定位銷固定在一起，總體容積為:2X200mm(h) X25434mm2,箱體可盛裝土壤的部分橫截面是半徑為90mm的圓；采用(1.1)所述的整備方法，在直剪箱內整備出不同緊實度的試驗樣品；(3.2)試驗前，設定需要加載的軸向壓力，通過壓縮電機帶動半徑為90mm的鋼性圓形壓板下壓至模擬月壤，壓力達到預設壓力后，自動停止下壓，并保持軸向加載壓力；通過渦輪減速機使試驗臺的可傾斜底板帶動試驗用直剪箱傾斜至所需的角度，靜止2min，使土槽內的土壤達到新的穩態；(3.3)試驗時，通過剪切電機推動剪切下箱勻速移動，通過測控裝置采集推動過程中，不同傾斜角度下，模擬月壤力-位移變化曲線；(3.4)試驗預設兩組載荷，分別為大載荷組和小載荷組，每組載荷包括四個級別的軸向加載壓力；試驗同時需要測定不同傾斜狀態下，空載時，剪切上箱和剪切下箱以及剪切下箱和L型板所產生的摩擦力，并在數據處理時予以剔除，以獲得不同傾斜角度下土壤面的剪切力；每一個試驗樣品重新整備，重復上述試驗方法進行抗剪切特性試驗；(3.5)采用摩爾-庫倫模型計算得到內摩擦角Φ，內聚力c ；(4)模擬月壤貫入特性試驗的試驗方法包括以下步驟:(4.1) 試驗利用300X 300X 300mm的土槽裝滿模擬月壤，按照(1.1)所述的整備方法整備好不同緊實狀態的模擬月壤，放在試驗臺的L型板上；(4.2)試驗選用不同半徑的鋼性錐頭，并設計不同的下壓試驗點；試驗前，對試驗土槽加蓋，需要在土槽蓋上根據錐頭尺寸和壓點位置鉆出圓孔并安裝可以活動的擋片隨時開啟或關閉某一圓孔；通過渦輪減速機使試驗臺的可傾斜底板帶動L型板和搭載在L型板上的試驗土槽傾斜至所需的角度；(4.3)通過調整上聯板上的梯形絲杠帶動壓縮電機左右移動，通過調整下聯板上的梯形絲杠帶動L型板前后移動，以使連接在壓縮電機上的鋼性錐頭正好對準壓點；通過壓縮電機帶動錐頭下壓至箱蓋表面，靜止2min，使土槽內的土壤達到新的穩態；(4.4)試驗時，移開擋板，壓縮電機會帶動鋼性錐頭下壓，達到所需壓下深度后停止下壓，通過測控裝置采集不同傾斜角度下，模擬月壤的力-位移變化曲線；完成數據采集后，令壓縮電機帶動錐頭退回后，重新撥動擋板擋住本次試驗的下壓點，完成一次數據采集；通過調整梯形絲杠，使得錐頭對準下一個試驗下壓點，通過壓縮電機帶動錐頭下壓至箱蓋表面，靜止2min后，重復上述的步驟直至完成全部試驗點的貫入特性試驗；有五個試驗壓入點，即每整備一次模擬月壤，可采集五組力-位移數據；(4.5)每一個試驗樣品重新整備，重復上述試驗方法進行貫入特性試驗。(4.6)通過數據處理獲得圓錐指數Cl值。本發明的有益效果:1、本發明利用專用的低重力環境模擬試驗裝置，同時完成Ig地面重力環境和低重力環境下模擬土壤力學參數的測試，以對比分析不同重力場下月壤的力學特性的差異，揭示深空重力環境下土壤機器的相互作用關系。2、該試驗方法費用低，試驗設備穩定、試驗時間不受限制、試驗可重現性高、試驗結果可靠真實、試驗數據精度較高。


圖1為本發明所使用的專用低重力環境模擬裝置的主視圖。圖2為本發明所使用的專用低重力環境模擬裝置的左視圖。圖3為本發明所使用的專用低重力環境模擬裝置的俯視圖。圖4為散粒體體力分布試驗中垂直狀態下軸向力測定時壓力傳感器埋放示意圖。圖5為散粒體體力分布試驗中傾斜狀態下側向力測定時壓力傳感器埋放示意圖。圖6為本發明第一實施例中剪切箱內試驗點的平面排布圖。圖7為本發明第一實施例中JLU-1模擬月壤在松散狀態下試驗數據同軸向力擬合方程計算結果的對比圖。圖8為本發明第二實施例中剪切箱內壓錐壓點的平面排布示意圖。圖9為本發明第二實施例中Ig重力場下，JLU-1松散狀態和自然狀態下的Cl值比對圖。圖10為本發明第二實施例中Ig重力場和松散狀態下，JLU-1、JLU-2模擬月壤的Cl值比對圖。圖11為本發明第二實施例中Ig重力場和松散狀態下，JLU-1模擬月壤在不同下壓點的Cl值。圖12為本發 明第二實施例中Ig重力場和松散狀態下，利用不同型號壓錐得到的JLU-1模擬月壤的Cl值。圖13為本發明第二實施例中松散狀態下，JLU-1模擬月壤在不同重力環境下的Cl值。
具體實施例方式請參閱圖1、圖2和圖3所示，本發明所使用的專用低重力環境模擬裝置是由機架
1、量角器18、電控箱21、壓縮電缸6、剪切電缸7、渦輪減速機8、底板10、上聯板4、L型板12和下聯板13組成，機架I下方安裝有四個福馬腳輪2，以便移動和固定整體機構，渦輪減速機8和電控箱21分別固定在機架I的兩側，底板10 —端裝有轉動轉座19而與渦輪減速機8輸出軸相連，底板10另一端通過固定轉軸17與機架I相連，渦輪減速8通過軸與底板10相連；上聯板4在固定底板10上，壓縮電缸6通過壓縮電缸底板3與上聯板4相連，剪切電缸7通過電缸支板5與底板10相連,L型板12通過下聯板13與底板10相連；壓縮電缸底板3由梯形絲杠控制，可左右移動以達到橫向移動壓縮電缸6的目的；L型板12由梯形絲杠控制，可控制L型板12沿垂直于底板10方向前后移動，通過上述兩個動作可以完成對L型板12上搭載的土槽的不同試驗點的任意選擇；壓縮電缸6和剪切電缸7通過PFC限位開關20、電線與電控箱21相連。L型板12上可裝配直剪箱以完成抗剪性能試驗，直剪箱是由剪切上箱11和剪切下箱14構成，其中，剪切上箱11通過剪切箱護板15以螺釘螺母固定在L型板12上，剪切下箱14裝配有剪切下箱推板16，試驗時由剪切電缸7帶動力-位移傳感器作用于剪切下箱推板16上，推動剪切下箱14移動。L型板12上可裝配土槽試驗箱以完成承壓特性試驗、貫入特性試驗、落球試驗、散粒體體力分布試驗、壓力傳遞特性試驗。低重力環境模擬裝置的工作原理:在L型板12上搭載試驗土槽或直剪箱，通過渦輪減速機8控制底板10傾斜至不同的角度，在不同的傾斜狀態下，沿分力方向獲得低重力環境，并完成模擬土壤力學性能測定的相關試驗。該方法設備簡單，時間不受限制，模擬得到的低重力環境穩定性高、可重現性好，傾斜過程中產生的各種分力與傾斜角讀相關，數據穩定且可重復再現。適合于對低重力環境下模擬月壤力學性能的測定。本發明之方法如下:使用專用的低重力環境模擬裝置，通過傾斜試驗臺面，在分力方向模擬低重力環境，傾斜過程中產生的各種分力與傾斜角度相關；模擬過程中通過散粒體體力分布試驗對土體內部受力狀態進行檢測，以作為模擬月壤力學性能測定試驗的基礎試驗；用以評估模擬月壤在Ig重力場和低重力場下的力學性能參數，包括有沉陷指數Π，內聚變形模量Kc，摩擦變形模量K41，內摩擦角Φ，內聚力C，圓錐指數Cl值。上述參數可以通過模擬月壤承壓特性實驗、剪切特性試驗、貫入特性試驗獲得。(I)散粒體體力分布試驗是一種測定土體內部受力狀態的試驗，試驗方法包括以下步驟:(1.1)不同緊實狀態的模擬月壤整備方法:采用多次翻松、分層輕壓、分層反復壓實等整備方法，使模擬月壤表現出不同的緊實狀態，利用稱量法測定模擬月壤在不同緊實狀態下的容重，并通過計算得到模擬月壤的孔隙度和孔隙率，用以衡量月壤的緊實狀態；(1.2)試驗利用300X300X300mm的土槽盛裝模擬月壤，并將土槽放在低重力環境模擬試驗裝置的可傾斜L型板上；試驗前，根據需要，在土槽內的不同試驗點埋置壓力傳感器；按照模擬月壤的不同緊實狀態預先稱量好所需的模擬月壤的質量，并采用(I)中的整備方法，分層整備模擬月壤，同時逐層逐點埋放壓力傳感器，以測定不同緊實度下的模擬月壤土體內部壓力分布情況；(1.3)試驗時，通過渦輪減速機8使試驗臺的可傾斜底板10帶動L型板12和搭載在L型板12上的試驗土槽傾斜至所需的角度，靜止2min，待土槽內的土壤達到新的穩態后，通過數據移動采集系統采集不同傾斜角度下模擬月壤在不同試驗點的軸向分力及側向分力，得到模擬月壤在不同傾斜角度下的土體內部壓力分布情況；( 1.4)每一個試驗樣品重新整備，重復上述試驗方法進行散粒體體力分布試驗；(2)模擬月壤承壓特性試驗的試驗方法包括以下步驟:
(2.1)試驗利用300X 300X 300mm的土槽裝滿模擬月壤，按照(1.1)所述的整備方法整備好不同緊實狀態的模擬月壤，放在試驗臺的L型板12上；(2.2)試驗選用不同半徑的鋼性圓形壓板；試驗前，通過壓縮電機帶動鋼性圓形壓板下壓至模擬月壤的表面后，加蓋；通過渦輪減速機8使試驗臺的可傾斜底板10帶動L型板12和搭載在L型板上的試驗土槽傾斜至所需的角度，靜止2min，使土槽內的土壤達到新的穩態。(2.3)試驗時，通過壓縮電機帶動鋼性圓形壓板下壓，達到預定壓力后，自動停止下壓，通過測控裝置采集不同傾斜角度下，模擬月壤的力-位移變化曲線；(2.4)每一個試驗樣品重新整備，重復上述試驗方法進行承壓特性試驗；(2.5)采用Bekker承壓模型計算得到沉陷指數n，內聚變形模量K。，摩擦變形模量Κφ ；(3)模擬月壤抗剪切特性試驗的試驗方法包括以下步驟:(3.1)試驗所采用的剪切箱分為剪切上箱11和剪切下箱14，其中剪切上箱11固定在試驗臺的底板10上，剪切下箱14連有滾珠，搭載在L型板12上且可以移動；剪切上箱11和剪切下箱14的尺寸相同，均為260mmX 260mmX 200mm ;剪切上箱11和剪切下箱14通過定位銷固定在一起，總體容積為:2X200mm(h) X25434mm2,箱體可盛裝土壤的部分橫截面是半徑為90_的圓；采用(1.1)所述的整備方法，在直剪箱內整備出不同緊實度的試驗樣品；
(3.2)試驗前，設定需要加載的軸向壓力，通過壓縮電機帶動半徑為90mm的鋼性圓形壓板下壓至模擬月壤，壓力達到預設壓力后，自動停止下壓，并保持軸向加載壓力；通過渦輪減速機8使試驗臺的可傾斜底板10帶動試驗用直剪箱傾斜至所需的角度，靜止2min，使土槽內的土壤達到新的穩態；(3.3)試驗時，通過剪切電機推動剪切下箱14勻速移動，通過測控裝置采集推動過程中，不同傾斜角度下，模擬月壤力-位移變化曲線；(3.4)試驗預設兩組載荷，分別為大載荷組和小載荷組，每組載荷包括四個級別的軸向加載壓力；試驗同時需要測定不同傾斜狀態下，空載時，剪切上箱11和剪切下箱14以及剪切下箱14和L型板12所產生的摩擦力，并在數據處理時予以剔除，以獲得不同傾斜角度下土壤面的剪切力；每一個試驗樣品重新整備，重復上述試驗方法進行抗剪切特性試驗;(3.5)采用摩爾-庫倫模型計算得到內摩擦角Φ，內聚力c ；(4)模擬月壤貫入特性試驗的試驗方法包括以下步驟:(4.1)試驗利用300X 300X 300mm的土槽裝滿模擬月壤，按照(1.1)所述的整備方法整備好不同緊實狀態的模擬月壤，放在試驗臺的L型板12上；

(4.2)試驗選用不同半徑的鋼性錐頭，并設計不同的下壓試驗點；試驗前，對試驗土槽加蓋，需要在土槽蓋上根據錐頭尺寸和壓點位置鉆出圓孔并安裝可以活動的擋片隨時開啟或關閉某一圓孔；通過渦輪減速機8使試驗臺的可傾斜底板10帶動L型板12和搭載在L型板12上的試驗土槽傾斜至所需的角度；(4.3)通過調整上聯板4上的梯形絲杠帶動壓縮電機左右移動，通過調整下聯板13上的梯形絲杠帶動L型板12前后移動，以使連接在壓縮電機上的鋼性錐頭正好對準壓點；通過壓縮電機帶動錐頭下壓至箱蓋表面，靜止2min，使土槽內的土壤達到新的穩態；(4.4)試驗時，移開擋板，壓縮電機會帶動鋼性錐頭下壓，達到所需壓下深度后停止下壓，通過測控裝置采集不同傾斜角度下，模擬月壤的力-位移變化曲線；完成數據采集后，令壓縮電機帶動錐頭退回后，重新撥動擋板擋住本次試驗的下壓點，完成一次數據采集；通過調整梯形絲杠，使得錐頭對準下一個試驗下壓點，通過壓縮電機帶動錐頭下壓至箱蓋表面，靜止2min后，重復上述的步驟直至完成全部試驗點的貫入特性試驗；有五個試驗壓入點，即每整備一次模擬月壤，可采集五組力-位移數據；(4.5)每一個試驗樣品重新整備，重復上述試驗方法進行貫入特性試驗。(4.6)通過數據處理獲得圓錐指數Cl值。第一實施例:測定散粒體體力分布的試驗方法:1.1試驗材料由吉林大學JLU系列模擬月壤，選擇JLU-1、JLU-2、JLU-4模擬月壤。表I為試驗用模擬月壤基礎物理參數。
權利要求
1.一種低重力環境下模擬月壤力學性能的測定方法，該方法是:使用低重力環境模擬裝置，通過傾斜試驗臺面，在分力方向模擬低重力環境，傾斜過程中產生的各種分力與傾斜角度相關；模擬過程中通過散粒體體力分布試驗對土體內部受力狀態進行檢測，以作為模擬月壤力學性能測定試驗的基礎試驗；用以評估模擬月壤在Ig重力場和低重力場下的力學性能參數，包括有沉陷指數Π，內聚變形模量Kc，摩擦變形模量K41，內摩擦角Φ，內聚力C，圓錐指數Cl值；上述參數通過模擬月壤承壓特性實驗、剪切特性試驗和貫入特性試驗獲得。
2.根據權利要求1所述的一種低重力環境下模擬月壤力學性能的測定方法，該方法的具體步驟如下: (O散粒體體力分布試驗是一種測定土體內部受力狀態的試驗，試驗方法包括以下步驟: (1.1)不同緊實狀態的模擬月壤整備方法:采用多次翻松、分層輕壓、分層反復壓實等整備方法，使模擬月壤表現出不同的緊實狀態，利用稱量法測定模擬月壤在不同緊實狀態下的容重，并通過計算得到模擬月壤的孔隙度和孔隙率，用以衡量月壤的緊實狀態； (1.2)試驗利用300X300X300mm的土槽盛裝模擬月壤,并將土槽放在低重力環境模擬試驗裝置的可傾斜L型板上；試驗前，根據需要，在土槽內的不同試驗點埋置壓力傳感器；按照模擬月壤的不同緊實狀態預先稱量好所需的模擬月壤的質量，并采用(I)中的整備方法，分層整備模擬月壤，同時逐層逐點埋放壓力傳感器，以測定不同緊實度下的模擬月壤土體內部壓力分布情況； (1.3)試驗時，通過渦輪減速機使試驗臺的可傾斜底板帶動L型板和搭載在L型板上的試驗土槽傾斜至所需的角度，靜止2min，待土槽內的土壤達到新的穩態后，通過數據移動采集系統采集不同傾斜角度下模擬月壤在不同試驗點的軸向分力及側向分力，得到模擬月壤在不同傾斜角度下的土體內部壓力分布情況； (1.4)每一個試驗樣品重新整備，重復上述試驗方法進行散粒體體力分布試驗； (2)模擬月壤承壓特性試驗的試驗方法包括以下步驟: (2.1)試驗利用300 X 300 X 300mm的土槽裝滿模擬月壤，按照(1.1)所述的整備方法整備好不同緊實狀態的模擬月壤，放在試驗臺的L型板上； (2.2)試驗選用不同半徑的鋼性圓形壓板；試驗前，通過壓縮電機帶動鋼性圓形壓板下壓至模擬月壤的表面后，加蓋；通過渦輪減速機使試驗臺的可傾斜底板帶動L型板和搭載在L型板上的試驗土槽傾斜至所需的角度，靜止2min，使土槽內的土壤達到新的穩態。
(2.3)試驗時，通過壓縮電機帶動鋼性圓形壓板下壓，達到預定壓力后，自動停止下壓，通過測控裝置采集不同傾斜角度下，模擬月壤的力-位移變化曲線； (2.4)每一個試驗樣品重新整備，重復上述試驗方法進行承壓特性試驗； (2.5)采用Bekker承壓模型計算得到沉陷指數n，內聚變形模量K。，摩擦變形模量K4l ； (3)模擬月壤抗剪切特性試驗的試驗方法包括以下步驟: (3.1)試驗所采用的剪切箱分為剪切上箱和剪切下箱，其中剪切上箱固定在試驗臺的底板上，剪切下箱連有滾珠，搭載在L型板上且可以移動；剪切上箱和剪切下箱的尺寸相同，均為260mm X 260mm X 200mm ;剪切上箱和剪切下箱通過定位銷固定在一起，總體容積為:2X200mm(h) X25434mm2,箱體可盛裝土壤的部分橫截面是半徑為90mm的圓；采用(1.1)所述的整備方法，在直剪箱內整備出不同緊實度的試驗樣品； (3.2)試驗前，設定需要加載的軸向壓力，通過壓縮電機帶動半徑為90mm的鋼性圓形壓板下壓至模擬月壤，壓力達到預設壓力后，自動停止下壓，并保持軸向加載壓力；通過渦輪減速機使試驗臺的可傾斜底板帶動試驗用直剪箱傾斜至所需的角度，靜止2min，使土槽內的土壤達到新的穩態； (3.3)試驗時，通過剪切電機推動剪切下箱勻速移動，通過測控裝置采集推動過程中，不同傾斜角度下，模擬月壤力-位移變化曲線； (3.4)試驗預設兩組載荷，分別為大載荷組和小載荷組，每組載荷包括四個級別的軸向加載壓力；試驗同時需要測定不同傾斜狀態下，空載時，剪切上箱和剪切下箱以及剪切下箱和L型板所產生的摩擦力，并在數據處理時予以剔除，以獲得不同傾斜角度下土壤面的剪切力；每一個試驗樣品重新整備 ，重復上述試驗方法進行抗剪切特性試驗； (3.5)采用摩爾-庫倫模型計算得到內摩擦角Φ，內聚力c ； (4)模擬月壤貫入特性試驗的試驗方法包括以下步驟: (4.1)試驗利用300 X 300 X 300mm的土槽裝滿模擬月壤，按照(1.1)所述的整備方法整備好不同緊實狀態的模擬月壤，放在試驗臺的L型板上； (4.2)試驗選用不同半徑的鋼性錐頭，并設計不同的下壓試驗點；試驗前，對試驗土槽加蓋，需要在土槽蓋上根據錐頭尺寸和壓點位置鉆出圓孔并安裝可以活動的擋片隨時開啟或關閉某一圓孔；通過渦輪減速機使試驗臺的可傾斜底板帶動L型板和搭載在L型板上的試驗土槽傾斜至所需的角度； (4.3)通過調整上聯板上的梯形絲杠帶動壓縮電機左右移動，通過調整下聯板上的梯形絲杠帶動L型板前后移動，以使連接在壓縮電機上的鋼性錐頭正好對準壓點；通過壓縮電機帶動錐頭下壓至箱蓋表面，靜止2min，使土槽內的土壤達到新的穩態； (4.4)試驗時，移開擋板，壓縮電機會帶動鋼性錐頭下壓，達到所需壓下深度后停止下壓，通過測控裝置采集不同傾斜角度下，模擬月壤的力-位移變化曲線；完成數據采集后，令壓縮電機帶動錐頭退回后，重新撥動擋板擋住本次試驗的下壓點，完成一次數據采集；通過調整梯形絲杠，使得錐頭對準下一個試驗下壓點，通過壓縮電機帶動錐頭下壓至箱蓋表面，靜止2min后，重復上述的步驟直至完成全部試驗點的貫入特性試驗；有五個試驗壓入點，即每整備一次模擬月壤，可采集五組力-位移數據； (4.5)每一個試驗樣品重新整備，重復上述試驗方法進行貫入特性試驗。
(4.6)通過數據處理獲得圓錐指數Cl值。
全文摘要
本發明公開了一種低重力環境下模擬月壤力學性能的測定方法，該方法是使用專用的低重力環境模擬裝置，通過傾斜試驗臺面，在分力方向模擬低重力環境，傾斜過程中產生的各種分力與傾斜角度相關；模擬過程中通過散粒體體力分布試驗對土體內部受力狀態進行檢測，以作為模擬月壤力學性能測定試驗的基礎試驗；用以評估模擬月壤在1g重力場和低重力場下的力學性能參數，包括有沉陷指數n，內聚變形模量KC，摩擦變形模量Kφ，內摩擦角φ，內聚力c，圓錐指數CI值。上述參數可以通過模擬月壤承壓特性實驗、剪切特性試驗、貫入特性試驗獲得。本發明利用專用的低重力環境模擬試驗裝置，同時完成1g地面重力環境和低重力環境下模擬土壤力學參數的測試，以對比分析不同重力場下月壤的力學特性的差異，揭示深空重力環境下土壤機器的相互作用關系。
文檔編號G01N33/24GK103235109SQ20131015597
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月30日 優先權日2013年4月30日
發明者鄒猛, 石睿楊, 劉國敏, 李建橋, 樊世超, 楊艷靜, 何玲, 張曉東, 黃涵, 趙振家 申請人:吉林大學