基于ABAQUS的月壤有限元建模及仿真分析

基于ABAQUS的月壤有限元建模及仿真分析

基于ABAQUS的月壤有限元建模及仿真分析

文章编号:1009-8119(2008)11-0046-03

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基于ABAQUS的月壤有限元建模及仿真分析

尹忠旺

丁希仑

郑岳山

(北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京

100083)

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在月球探测设备设计初期阶段,建立较为精确的月壤有限元模型,对于仿真和分析探测工具与月壤

的相互作用情况至关重要。阐述了用ABAQUS软件建立月壤有限元模型的优越性,介绍了建模方法,包括本构模型的选择、月壤参数的确定,以及具体的建模步骤,并通过算例证明了该模型的有效性。该模型亦可转化为动力学模型,与ADAMS进行联合仿真分析。

关键词

月壤,有限元,ABAQUS,本构模型

FiniteElementModelingandSimulativeAnalysisforLunarRegolithBasedonABAQUS

YinZhongwang

Abstract

DingXilun

ZhengYueshan

(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,BeihangUniversity,Beijing100083)

Intheinitialdesignperiodoflunarexplorationdevice,anaccuratefiniteelementmodelingoflunarregolith

issignificantforthesimulationandanalysis.TheadvantageoflunarregolithfiniteelementmodelingbasedonABAQUSisexpounded.Thewaytobuildthemodelispresentedindetail,includingthechoosingofconstitutivemodel,theconfirmingofparametersanddetailedmodelingsteps.Oneexampleisgiventoprovethevalidityofthemodel.AlsothismodelcanbeconvertedtodynamicmodelwhichcanbeappliedtotheconfederativesimulationwithADAMS.

Keywords

Lunarregolith,Finiteelement,ABAQUS,Constitutivemodel

随着月球热的升温,新一轮探月高潮正在兴起。在众多的月球探测设备中,无论是月面着陆的登月舱、月面巡游的月球车还是月面作业的采样设备,都需要与月壤进行接触。因此,研究各种探测设备与月壤的相互作用情况,对于确定探测设备的材料、结构,以及检验其可靠性、灵活性、适应性等具有重要意义。目前,该研究主要通过两种方式进行:一种是物理样机与模拟月壤的作用研究;另一种是虚拟样机与虚拟月壤的作用研究。前者需要配制与月壤具有相似矿物组成、化学成分、颗粒粒度、机械强度、孔隙度和密度的模拟月壤,其造价高,难度大,需要在已经研制出物理样机后才能使用,具有很大的局限性;后者由于处在虚拟样机设计阶段,所有工作都在计算机上进行,成本低,周期短,能及早发现问题,因此深受欢迎。后者的难点在于如何建立比较精确的虚拟月壤模型。本文提出了一种用ABAQUS软件建立月壤有限元模型的方法,该模型既可作为有限元模型用于有限元分析,又可转换为动力学模型用于动力学仿真。

件在该领域具有非常大的优势,是功能强大的有限元软件,解决的范围从相对简单的线性分析到许多非常复杂的非线性问题。ABAQUS被认为是功能最强的非线性CAE软件,它拥有丰富的单元库和与之相应的材料模型库,尤其在岩土工程领域拥有比ANSYS等其它有限元软件更多的本构模型,可用于模拟多种材料的复杂结构的力学、热学和声学等方面的问题,因此,是建立月壤有限元模型的最佳选择。

在进行动力学仿真时,应用最为广泛的ADAMS软件只能模拟探测器与月壤之间的摩擦、刚度、阻尼现象,而无法建立月壤力学模型,不能体现月壤的结合度、密度、粘合度等性能参数,因此,仅用ADAMS无法对松软月壤上的月球车进行动力学仿真。但ADAMS的柔性分析模块ADAMS/Flex提供了与ABAQUS的接口,可将ABAQUS中的月壤有限元模型转换为MNF(模态中性文件)格式,方便地导入ADAMS中建立多体动力学模型,从而弥补了ADAMS在月壤建模上的不足。同时,

ADAMS也可利用该接口向ABAQUS输出系统仿真后的

载荷谱和位移谱信息,辅助进行应力、应变及疲劳寿命的评估分析和研究。

1ABAQUS在月壤建模中的优越性

月壤建模属于岩土工程的研究范畴,而ABAQUS软

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