40米重力活塞取樣器設(shè)計(jì)及仿真.pdf

1、與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)對(duì)大陸架及深海水域海底沉積物的研究還不深入，這與我國(guó)海底勘探的手段單一、海底取樣設(shè)備落后有很大的關(guān)系。因此，研究和開(kāi)發(fā)功能強(qiáng)大、操作方便的海底取樣器，是我國(guó)新一輪海底資源大調(diào)查、海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究和海洋環(huán)境研究急需解決的課題。重力活塞取樣器是采取海底松散沉積物柱狀長(zhǎng)芯樣品常用的采樣器具之一。本文在對(duì)重力活塞取樣器工作原理和取樣深度影響因素進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有的取樣長(zhǎng)度為20m的重力活塞取樣器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，借助

2、有限元分析，設(shè)計(jì)出取樣長(zhǎng)度達(dá)到40m的重力活塞取樣器。
　　 論文首先對(duì)重力活塞取樣器貫入沉積物的過(guò)程及其影響因素進(jìn)行分析，推導(dǎo)出了取樣器貫入深度l的理論計(jì)算公式。得到取樣器的貫入深度l是其本身質(zhì)量m，重力加速度g，沉積物的極限應(yīng)摩擦系數(shù)τ，樣管周長(zhǎng)c，最大截面直徑D的函數(shù)。海底沉積物的極限應(yīng)摩擦系數(shù)τ對(duì)取樣器的貫入深度l有較大的影響。
　　 其次，進(jìn)行了重力活塞取樣器貫入過(guò)程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。利用國(guó)家海洋局第一海洋研究所進(jìn)行

3、的20m重力活塞取樣器深海沉積物取樣實(shí)驗(yàn)所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)推導(dǎo)的取樣器貫入深度計(jì)算公式進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 然后，進(jìn)行了重力活塞取樣器貫入過(guò)程的有限元仿真。從有限元分析結(jié)果可以看出，在取樣管貫入沉積物的過(guò)程中，周圍沉積物并沒(méi)有受到大的擾動(dòng)。從沉積物的應(yīng)力分布圖可知，在取樣管貫入沉積物的過(guò)程中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在取樣管下端與沉積物接觸的區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域會(huì)形成一個(gè)彗尾狀的高應(yīng)力區(qū)，從這個(gè)高應(yīng)力區(qū)往外，應(yīng)力逐漸減小。在取樣管貫入過(guò)程中，取樣

4、管下端的彗尾狀高應(yīng)力區(qū)向下擴(kuò)展。在這個(gè)高應(yīng)力區(qū)內(nèi)，一部分沉積物進(jìn)入取樣管內(nèi)成為獲取的沉積物樣品，剩余的沉積物沿彗尾方向向外流動(dòng)，影響周圍沉積物的應(yīng)力分布。在取樣管與沉積物的接觸面之外一定距離形成一個(gè)圓筒形的較高應(yīng)力區(qū)，這是取樣管下端彗尾狀高應(yīng)力區(qū)的延續(xù)。將有限元分析的結(jié)果、理論計(jì)算的結(jié)果及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了有限元模型及理論分析的正確性，為40m重力活塞取樣器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
　　 再次，進(jìn)行了重力活塞取樣器壓桿穩(wěn)定校核。取

5、樣管在貫入沉積物的過(guò)程中，貫入阻力主要是取樣管外壁與海底沉積物之間的摩擦力。根據(jù)理論計(jì)算得到的20m重力活塞取樣器的失穩(wěn)臨界載荷及貫入過(guò)程中所受的阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)中使用的20m重力活塞取樣器的取樣管進(jìn)行了壓桿穩(wěn)定校核，為40m重力活塞取樣器的取樣管設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
　　 最后，對(duì)40m重力活塞取樣器的取樣管、配重、活塞機(jī)構(gòu)、杠桿機(jī)構(gòu)、鋼纜卡具進(jìn)行了設(shè)計(jì)及必要的校核。通過(guò)ABAQUS有限元軟件對(duì)取樣管屈曲分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)取樣管第1階屈

6、曲模態(tài)特征值Ft(l)大于壓桿穩(wěn)定校核得到的失穩(wěn)臨界載荷Fcr。這是因?yàn)?，失穩(wěn)臨界載荷Fcr是指當(dāng)取樣管在外載荷作用下由直線平衡狀態(tài)變?yōu)榍€平衡狀態(tài)時(shí)的臨界載荷。而屈曲分析中第1階特征值Ft(l)是指取樣管進(jìn)入曲線平衡狀態(tài)并達(dá)到第1階屈曲模態(tài)時(shí)的外載荷。壓桿穩(wěn)定分析中假定結(jié)構(gòu)由直線平衡狀態(tài)變?yōu)榍€平衡狀態(tài)時(shí)將失去承載能力，通過(guò)取樣管屈曲分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際的情況并不是這樣的，結(jié)構(gòu)在曲線平衡狀態(tài)時(shí)仍有一定的承載能力。即取樣管在載荷作用下