優(yōu)化設(shè)計(jì)和有限元分析的核心機(jī)摘要 ： 液動(dòng)潛孔錘采樣器 是一種新型 采樣器 ， 它 的重要部分是： 核心刀具的結(jié) 構(gòu)對(duì)穿透性和核心修復(fù)有重要影響。實(shí) 驗(yàn)采用能模擬兩個(gè)或多個(gè)固體 大變形 摩擦 接觸的商用模擬 有限元程序 的相互作用。 本文用 有限元的 方法， 通過非線性瞬時(shí) 動(dòng)態(tài)分析， 分 析了刀具邊緣形狀、 直 徑、 和 邊緣角度對(duì) 滲透率 的影響。 仿 真結(jié)果 表明， 刀 具形狀對(duì) 滲透率 和核心修復(fù)有明顯的影響。 此 外， 采樣器 的 滲透率 隨刀 具內(nèi)徑的增加而增加， 但 隨切割角的增加而降低。 基于這些分析， 在 大連海灣北 部邊緣設(shè)計(jì)和測(cè)試了 核心刀 的優(yōu)化結(jié)構(gòu)， 結(jié) 果表明， 在粉砂粘土中， 滲透率 大約 是16.5m/h，在粘性土中是 l5.4m/h，而恢復(fù)率分別為 68和 83.3。關(guān)鍵 詞： 液動(dòng)潛孔錘采樣器 ；有限元分析；核心刀 -土壤相互作用；優(yōu)化設(shè)計(jì)1介紹 近海采樣技術(shù)是非常重要的， 可用于海底穩(wěn)定性的巖土評(píng)估， 將 沉積物恢 復(fù)可用于氣候研究。 但 是， 中國在這一領(lǐng)域的研究和發(fā)展比較緩慢， 大 多數(shù)采樣 設(shè)備是從其他國家進(jìn)口的， 尤 其是遠(yuǎn)程控制采樣技術(shù)。 雖然取得了一些成就， 但 是需要更好的技術(shù)用于大規(guī)模的海洋勘探采樣。 最 近 ， 液動(dòng)潛孔錘采樣器 是一種新型的海上采樣器， 主要用于下水深小于 超過 50米情況。采樣核心刀具設(shè)計(jì)的理論研究已經(jīng)進(jìn)行，因?yàn)樗沁@種新采樣器中一個(gè)最重要的技術(shù)，它的結(jié)構(gòu)和規(guī)模顯然會(huì)影響 滲透率 和核心修復(fù)。實(shí)驗(yàn)中，用兩個(gè)固體的 大變形 摩擦接觸模擬的相互作用。使 用 更新拉格朗日 方法模擬 滲 透率 動(dòng)態(tài)性，解決接觸問題。有限元分析程序 應(yīng) 用得到 了 結(jié)果。2有限 元模 型 土壤模仿不斷彈塑性的使用德魯克一普拉格模式的開發(fā)， 為了簡(jiǎn)單， 把采 樣器 核心刀 看作理想的堅(jiān)硬固體。開始時(shí)，土壤和核心刀具的參數(shù)如表 1。在 滲透率 研究 過程中，核心刀具和土壤的交互作用可以用接觸動(dòng)力學(xué)建模，大量轉(zhuǎn)移問題用增廣拉格朗日方法建模。 此法是一種懲罰相結(jié)合的方法和拉格 朗日乘數(shù)法并結(jié)合雙方的優(yōu)勢(shì) 。 與 其他方法相比， 增 加 拉格朗日 方法效果更好， 對(duì)與堅(jiān)硬固體的接觸不敏感。我們分別用 Target169和 Contact171模擬土壤的接觸 面 ， Target169和 Contact171可在 Ansys9.0元件庫中找到， 他 們都使用 默認(rèn)值 。核心刀具 和土壤 接口的摩擦滑動(dòng)用庫侖摩擦接觸 聯(lián)系 法模擬。在 基本的 庫 倫摩擦 模型中， 兩 個(gè)面互相接觸， 在它們開始相對(duì)滑動(dòng)之前， 可 將接觸面上的切 變應(yīng)力 剪應(yīng)力 提高到一個(gè)水平。 這種狀況被稱為 癥結(jié) 。 庫侖摩擦模型定義了一個(gè) 等效 （平衡） 剪應(yīng)力 ， 從等效 （ 平衡） 剪應(yīng)力 開始， 表 面的滑動(dòng)開始作為摩擦接 觸壓力。當(dāng)超過切變應(yīng)力，這兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。 核心刀 外徑為 129mm， corecutter在土壤中那部分的長(zhǎng)度為 0.2m， 核心 刀的總長(zhǎng)度是 0.5m。 土 壤體積用 核心刀 在土壤中的深度和外徑衡量， 我 們的研 究中為 0.5mX1m。為了降低電腦成本和數(shù)據(jù)處理時(shí)間， 我 們選擇一個(gè)軸對(duì)稱模型。 引入 “ 細(xì) 網(wǎng)格 ” 對(duì)土壤和 核心刀 建模。 選 擇第一 階 四個(gè)節(jié)點(diǎn)元素 -Plane42。 Fig.1給出 了幾何模型和有限元模型。 假 設(shè)垂直方向沒有位移， 水平方向自由運(yùn)動(dòng)， 在 底部 表面使用了 Roller邊界條件。 與 之對(duì)比的是， 在右外側(cè)邊界， 水 平方向沒有位移 ，垂直方向自由運(yùn)動(dòng)。 沿 中線采用對(duì)稱邊界條件， 頂部表面建模為自由表面。 如 圖Fig.1b所示。通過實(shí)驗(yàn)獲得的 液動(dòng)潛孔錘采樣器 大約為近 100J， 相 當(dāng)于質(zhì)量為 35kg下 降30cm的動(dòng)能。平均沖擊力是通過能量守恒定律和沖量守恒定律計(jì)算。m是 錘 的質(zhì)量， h高度， v是 錘 最后的速度， F是沖力， t是常數(shù)時(shí)間 （ 當(dāng)前使 用29ms）。為了模擬 液動(dòng)潛孔錘采樣器 的實(shí)際穿透 滲透率 過 程 ， 采樣器 使用了沖力。 根據(jù)文獻(xiàn)，力 -時(shí)間的關(guān)系圖是一個(gè)阻尼半正弦波形或正態(tài)分布曲線。在每個(gè)分析中， 土壤首先采用重力荷載， 在 采樣之前建立初始的原位應(yīng)力 狀態(tài)。 3結(jié)果 與討 論 3.1尖端 形狀 的影 響采樣器在海底的 滲透率 取決于可用能量， 吊籃 直徑， 尖端 配置和沉淀物屬性。 總的 滲透率 是 吊籃 和端點(diǎn)阻力之間摩擦綜合作用，核 心恢復(fù)與 核心班輪 內(nèi)部的 綜 合調(diào)動(dòng)摩擦 和樣本相關(guān)，相對(duì)于 核心刀 前面的 內(nèi)核 端 -承載力。也就是說， 滲透率和 核心修復(fù) 與 核心刀 的形狀密切相關(guān)。在我們的試驗(yàn)中， 對(duì)四種不同類型的 尖端 形狀進(jìn)行了分析， 闡述有限元程序的 使用 ， 深 入 理 解 對(duì) 滲 透 率 和 核 心 修 復(fù) 的 影 響 。 尖 端 形 狀 如 圖 Fig.3所 示 。有限元方法的計(jì)算結(jié)果如圖 Fig.4所示。 Fig.4a顯示了 滲透率 和時(shí)間的關(guān)系。從中可以看出， 核心刀 1的總 滲透率 約 12mm，后 面 的影響，比 核心刀 3略多。 一 般而言， 降 低 尖端 會(huì)增加內(nèi)部的沉淀， 受 到越來越多的向下摩擦阻力。 這個(gè)摩擦力通過土壤轉(zhuǎn)移， 施加在 中心 孔徑的橫截面積上， 表現(xiàn)為對(duì)土壤的垂直 壓力，這會(huì)導(dǎo)致樣本的壓縮。圖 4b顯示樣本壓縮和時(shí)間的關(guān)系。可以看出， 核心刀 1的樣本壓縮為 3.8mm，而 核心刀 3為 4.7mm，例如，相對(duì) 核心刀 1的 樣 本 ，核心刀 3縮短了修復(fù)的樣本。這也就是說， 核心刀 1的 核心修復(fù) 高于 核心刀 3。以下的研究使用 核心刀 1的 尖端 形狀。3.2核心 刀 壁厚 的影 響保持 刀具 1外徑為 129mm，分析內(nèi)徑分別為： 51， 61， 71， 81， 91， 101的影響 ， 采 用 有 限 元 方 法 。 結(jié) 果 如 圖 Fig.5。滲 透 率 隨 壁 厚 的 降 低 而 增 加 ， 比 如，增加 核心刀 內(nèi)徑。 但 是， 減 少壁厚也意味著較弱的 尖端 。 尖端 要足夠厚， 在 插 入到地面時(shí)才能應(yīng)對(duì)彎曲。 對(duì) 于陸上任務(wù)， 刀具 壁厚通常采用 15mm到 20mm， 我 的設(shè)計(jì)使用 19毫米。3.3尖端 角度 的影 響保持 刀具 1外徑 129mm， 內(nèi)徑 91mm， 改 變 刀具 邊緣角的值， 研 究不同邊緣 角的影響。圖 Fig.6顯示仿真結(jié)果。隨著邊緣角增加， 穿 透性急劇下降到一個(gè)常數(shù)值。 然而， 如 果過于邊緣角 過于 尖銳（ 過?。?， 穿透過程中刀具可能損壞。我們?cè)O(shè)計(jì)的邊緣角度是 15。3.4應(yīng)力 分布 輪廓 圖Fig.7顯示了采樣器深度 0.2米時(shí)計(jì)算得到的應(yīng)力輪廓圖。 尖端 附近徑向應(yīng)力 的最大值約 273千 帕 ， 應(yīng)力集中突出 的半徑大約 4R， R是采樣器的外半徑。 下面 位 ，徑向應(yīng)力從一個(gè)高的壓應(yīng)力迅速下降到一個(gè)較低值。 尖端 下方垂直應(yīng)力的最大 值是 291千帕。 與 徑向應(yīng)力 突出 相比， 垂 直應(yīng)力 突出 下降。 最 大值切變應(yīng)力是 980千帕， 位 于錐表面。 應(yīng)力集中突出 徑向幾乎延伸到邊界。 此 外， 采 樣器附近有 一個(gè)小的范圍，切變應(yīng)力可以壓縮。4實(shí)驗(yàn) 采樣 器 液動(dòng) 潛 孔 錘 采 樣 器 的 滲透 率 和 核心 修 復(fù) 性能 已 經(jīng) 在 中 國 大 連 海 灣 北部水深 11米的水中測(cè)試。在 第一個(gè)往返過程中，采 樣器總的 滲透率 超過 2.2米 ,8分鐘內(nèi) 核心修復(fù) 是 1.5米。 滲透率 率約為 16.5m/h，總的 核心修復(fù) 率約為 68 。粉砂粘土是主要巖性，底部包括 0.2-0.3米砂土層，圖 Fig.8a。另一個(gè)例子 Fig.8是粉砂粘土中。 在第一個(gè)往返過程中， 采 樣器的 滲透率 是90cm,3.5分鐘內(nèi) 核心修復(fù) 是 75cm。 總 的 滲透率 率約為 15.4m/h， 核心修復(fù) 率 為83.3。5結(jié)論 本文為海底沉淀物采樣器的 滲透率 建立模型，因 為商用有限元程序能模擬 大變形 和摩擦接觸，使用它研究 核心刀 參數(shù)如何影響 滲透率 。（ 1） 結(jié) 果表明， 尖端 形狀對(duì) 滲透率 和 核心修復(fù) 有重要影響。 考 慮四種類型 核心刀 ， 刀具 1有最好的 滲透率 和 核心修復(fù) 。 滲透率 隨壁厚和 尖端 角度的降低而 增加，但是考慮到和 核心刀 變形之間要取得一個(gè)折中。（ 2）研究土壤中的應(yīng)力分布對(duì) 錘 的影響。最大徑向應(yīng)力是在 尖端 附近，為 273千帕，最大垂直應(yīng)力在 尖端 下面，為 291千帕。（ 3） 液動(dòng) 潛 孔 錘 采 樣 器 的 滲透 率 在粉 砂 粘 土 和 粉 砂 粘 土 中 分 別 為 16.5m/h，15.4m/h，恢復(fù)率分別為 68和 83.3。參考 文獻(xiàn)1.鄢泰寧 ,補(bǔ)家武 ,李邵軍 ；淺析國外海底取樣技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 海底取樣技術(shù)介紹之一 J；地 質(zhì)科技情報(bào) ；2000年 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