我国嫦娥五号探测器将通过无人钻取采样装置获取月壤样品并返回地球,采样过程中,存在于浅表层的月壤临界尺度颗粒及其聚积区域给月壤采样任务带来不利影响。根据取芯钻具横截面直径d₀,将粒径在0.1d₀⁰.5d₀间的月壤颗粒划分为临界尺度颗粒,为提高采样任务可靠性,减少卡钻、堵钻等故障工况的出现,本文将在地球环境下对月壤临界尺度颗粒孔底置出过程进行模拟试验,研究钻头切削刃的切削速度、切削位置变化对临界尺度颗粒运动状态的影响,为分析钻取采样过程中故障工况的产生提供理论依据,为此本文开展了以下研究工作。结合月壤力学特性引入其形状因素,建立临界尺度颗粒法向接触力学模型。基于傅里叶理论建立临界尺度颗粒形状描述模型,运用图像分析算法对颗粒图像进行处理,建立临界尺度颗粒的接触概率模型。按照接触概率结果生成和调用颗粒,通过临界尺度颗粒的法向力学加载特性试验,验证基于形状描述的临界尺度颗粒法向接触力学模型的正确性。将建立的临界尺度颗粒等效模型引入仿真模拟软件中对临界尺度颗粒切削置出过程进行仿真模拟。基于岩石切削及岩土力学相关理论,结合月壤破坏和失效形式建立单切削刃与月壤临界尺度颗粒相互作用力学模型,分析相关参数对临界尺度颗粒切削置出过程中运移规律的影响,根据颗粒接触概率建立月壤临界尺度颗粒切削置出离散元模型;通过仿真模拟,得到不同切削速度和切削深度时,月壤临界尺度颗粒运动状态及运动特性变化趋势,结果表明:切削速度的增大或减小对临界尺度颗粒速度变化影响较小,而切削位置的变化对切削置出过程中临界尺度颗粒速度及位移的变化趋势影响较为明显。模拟月壤临界尺度颗粒孔底置出试验验证,筛选指定粒径范围的月壤临界尺度颗粒贴上标记点作为切削样本,将其放入装有均质月壤的土槽内,通过液压机压实以达到试验所需密度,架设好相关试验设备,在单刃切削试验台上进行多组切削置出试验,试验结果表明:切削位置是影响模拟月壤临界尺度颗粒运动特性的主要因素,并且发现在切削置出过程中临界尺度颗粒会发生滚动,将试验结果与之前相应仿真结果进行对比分析,以验证理论模型的可靠性和准确性。通过压缩方式将切削试验样本的密度提高到真实月壤密度参数变化范围内,利用单齿切削试验台并结合正交试验方案开展月壤标记点切削试验。对高速相机采集的数据进行处理后得到临界尺度颗粒在孔底置出过程中的运动变化特性,解释了颗粒平移和翻滚动作的原因,试验结果与仿真模拟进行对比分析,以验证理论分析的正确性。