外文翻译--优化设计和有限元分析的核心机 英文版

优化设计和有限元分析的核心机摘要 ： 液动潜孔锤采样器 是一种新型 采样器 ， 它 的重要部分是： 核心刀具的结 构对穿透性和核心修复有重要影响。实 验采用能模拟两个或多个固体 大变形 摩擦 接触的商用模拟 有限元程序 的相互作用。 本文用 有限元的 方法， 通过非线性瞬时 动态分析， 分 析了刀具边缘形状、 直 径、 和 边缘角度对 渗透率 的影响。 仿 真结果 表明， 刀 具形状对 渗透率 和核心修复有明显的影响。 此 外， 采样器 的 渗透率 随刀 具内径的增加而增加， 但 随切割角的增加而降低。 基于这些分析， 在 大连海湾北 部边缘设计和测试了 核心刀 的优化结构， 结 果表明， 在粉砂粘土中， 渗透率 大约 是16.5m/h，在粘性土中是 l5.4m/h，而恢复率分别为 68和 83.3。关键 词： 液动潜孔锤采样器 ；有限元分析；核心刀 -土壤相互作用；优化设计1介绍 近海采样技术是非常重要的， 可用于海底稳定性的岩土评估， 将 沉积物恢 复可用于气候研究。 但 是， 中国在这一领域的研究和发展比较缓慢， 大 多数采样 设备是从其他国家进口的， 尤 其是远程控制采样技术。 虽然取得了一些成就， 但 是需要更好的技术用于大规模的海洋勘探采样。 最 近 ， 液动潜孔锤采样器 是一种新型的海上采样器， 主要用于下水深小于 超过 50米情况。采样核心刀具设计的理论研究已经进行，因为它是这种新采样器中一个最重要的技术，它的结构和规模显然会影响 渗透率 和核心修复。实验中，用两个固体的 大变形 摩擦接触模拟的相互作用。使 用 更新拉格朗日 方法模拟 渗 透率 动态性，解决接触问题。有限元分析程序 应 用得到 了 结果。2有限 元模 型 土壤模仿不断弹塑性的使用德鲁克一普拉格模式的开发， 为了简单， 把采 样器 核心刀 看作理想的坚硬固体。开始时，土壤和核心刀具的参数如表 1。在 渗透率 研究 过程中，核心刀具和土壤的交互作用可以用接触动力学建模，大量转移问题用增广拉格朗日方法建模。 此法是一种惩罚相结合的方法和拉格 朗日乘数法并结合双方的优势 。 与 其他方法相比， 增 加 拉格朗日 方法效果更好， 对与坚硬固体的接触不敏感。我们分别用 Target169和 Contact171模拟土壤的接触 面 ， Target169和 Contact171可在 Ansys9.0元件库中找到， 他 们都使用 默认值 。核心刀具 和土壤 接口的摩擦滑动用库仑摩擦接触 联系 法模拟。在 基本的 库 伦摩擦 模型中， 两 个面互相接触， 在它们开始相对滑动之前， 可 将接触面上的切 变应力 剪应力 提高到一个水平。 这种状况被称为 症结 。 库仑摩擦模型定义了一个 等效 （平衡） 剪应力 ， 从等效 （ 平衡） 剪应力 开始， 表 面的滑动开始作为摩擦接 触压力。当超过切变应力，这两个表面会产生相对滑动。 核心刀 外径为 129mm， corecutter在土壤中那部分的长度为 0.2m， 核心 刀的总长度是 0.5m。 土 壤体积用 核心刀 在土壤中的深度和外径衡量， 我 们的研 究中为 0.5mX1m。为了降低电脑成本和数据处理时间， 我 们选择一个轴对称模型。 引入 “ 细 网格 ” 对土壤和 核心刀 建模。 选 择第一 阶 四个节点元素 -Plane42。 Fig.1给出 了几何模型和有限元模型。 假 设垂直方向没有位移， 水平方向自由运动， 在 底部 表面使用了 Roller边界条件。 与 之对比的是， 在右外侧边界， 水 平方向没有位移 ，垂直方向自由运动。 沿 中线采用对称边界条件， 顶部表面建模为自由表面。 如 图Fig.1b所示。通过实验获得的 液动潜孔锤采样器 大约为近 100J， 相 当于质量为 35kg下 降30cm的动能。平均冲击力是通过能量守恒定律和冲量守恒定律计算。m是 锤 的质量， h高度， v是 锤 最后的速度， F是冲力， t是常数时间 （ 当前使 用29ms）。为了模拟 液动潜孔锤采样器 的实际穿透 渗透率 过 程 ， 采样器 使用了冲力。 根据文献，力 -时间的关系图是一个阻尼半正弦波形或正态分布曲线。在每个分析中， 土壤首先采用重力荷载， 在 采样之前建立初始的原位应力 状态。 3结果 与讨 论 3.1尖端 形状 的影 响采样器在海底的 渗透率 取决于可用能量， 吊篮 直径， 尖端 配置和沉淀物属性。 总的 渗透率 是 吊篮 和端点阻力之间摩擦综合作用，核 心恢复与 核心班轮 内部的 综 合调动摩擦 和样本相关，相对于 核心刀 前面的 内核 端 -承载力。也就是说， 渗透率和 核心修复 与 核心刀 的形状密切相关。在我们的试验中， 对四种不同类型的 尖端 形状进行了分析， 阐述有限元程序的 使用 ， 深 入 理 解 对 渗 透 率 和 核 心 修 复 的 影 响 。 尖 端 形 状 如 图 Fig.3所 示 。有限元方法的计算结果如图 Fig.4所示。 Fig.4a显示了 渗透率 和时间的关系。从中可以看出， 核心刀 1的总 渗透率 约 12mm，后 面 的影响，比 核心刀 3略多。 一 般而言， 降 低 尖端 会增加内部的沉淀， 受 到越来越多的向下摩擦阻力。 这个摩擦力通过土壤转移， 施加在 中心 孔径的横截面积上， 表现为对土壤的垂直 压力，这会导致样本的压缩。图 4b显示样本压缩和时间的关系。可以看出， 核心刀 1的样本压缩为 3.8mm，而 核心刀 3为 4.7mm，例如，相对 核心刀 1的 样 本 ，核心刀 3缩短了修复的样本。这也就是说， 核心刀 1的 核心修复 高于 核心刀 3。以下的研究使用 核心刀 1的 尖端 形状。3.2核心 刀 壁厚 的影 响保持 刀具 1外径为 129mm，分析内径分别为： 51， 61， 71， 81， 91， 101的影响 ， 采 用 有 限 元 方 法 。 结 果 如 图 Fig.5。渗 透 率 随 壁 厚 的 降 低 而 增 加 ， 比 如，增加 核心刀 内径。 但 是， 减 少壁厚也意味着较弱的 尖端 。 尖端 要足够厚， 在 插 入到地面时才能应对弯曲。 对 于陆上任务， 刀具 壁厚通常采用 15mm到 20mm， 我 的设计使用 19毫米。3.3尖端 角度 的影 响保持 刀具 1外径 129mm， 内径 91mm， 改 变 刀具 边缘角的值， 研 究不同边缘 角的影响。图 Fig.6显示仿真结果。随着边缘角增加， 穿 透性急剧下降到一个常数值。 然而， 如 果过于边缘角 过于 尖锐（ 过小）， 穿透过程中刀具可能损坏。我们设计的边缘角度是 15。3.4应力 分布 轮廓 图Fig.7显示了采样器深度 0.2米时计算得到的应力轮廓图。 尖端 附近径向应力 的最大值约 273千 帕 ， 应力集中突出 的半径大约 4R， R是采样器的外半径。 下面 位 ，径向应力从一个高的压应力迅速下降到一个较低值。 尖端 下方垂直应力的最大 值是 291千帕。 与 径向应力 突出 相比， 垂 直应力 突出 下降。 最 大值切变应力是 980千帕， 位 于锥表面。 应力集中突出 径向几乎延伸到边界。 此 外， 采 样器附近有 一个小的范围，切变应力可以压缩。4实验 采样 器 液动 潜 孔 锤 采 样 器 的 渗透 率 和 核心 修 复 性能 已 经 在 中 国 大 连 海 湾 北部水深 11米的水中测试。在 第一个往返过程中，采 样器总的 渗透率 超过 2.2米 ,8分钟内 核心修复 是 1.5米。 渗透率 率约为 16.5m/h，总的 核心修复 率约为 68 。粉砂粘土是主要岩性，底部包括 0.2-0.3米砂土层，图 Fig.8a。另一个例子 Fig.8是粉砂粘土中。 在第一个往返过程中， 采 样器的 渗透率 是90cm,3.5分钟内 核心修复 是 75cm。 总 的 渗透率 率约为 15.4m/h， 核心修复 率 为83.3。5结论 本文为海底沉淀物采样器的 渗透率 建立模型，因 为商用有限元程序能模拟 大变形 和摩擦接触，使用它研究 核心刀 参数如何影响 渗透率 。（ 1） 结 果表明， 尖端 形状对 渗透率 和 核心修复 有重要影响。 考 虑四种类型 核心刀 ， 刀具 1有最好的 渗透率 和 核心修复 。 渗透率 随壁厚和 尖端 角度的降低而 增加，但是考虑到和 核心刀 变形之间要取得一个折中。（ 2）研究土壤中的应力分布对 锤 的影响。最大径向应力是在 尖端 附近，为 273千帕，最大垂直应力在 尖端 下面，为 291千帕。（ 3） 液动 潜 孔 锤 采 样 器 的 渗透 率 在粉 砂 粘 土 和 粉 砂 粘 土 中 分 别 为 16.5m/h，15.4m/h，恢复率分别为 68和 83.3。参考 文献1.鄢泰宁 ,补家武 ,李邵军 ；浅析国外海底取样技术的现状及发展趋势 海底取样技术介绍之一 J；地 质科技情报 ；2000年 02期2.段新胜 ,鄢泰宁 ,陈劲 ,顾湘 ；发展我国海底取样技术的几点设想 J；地质与勘探 ；2003年 02期3.谭凡教 ,陈洪泳 ,殷琨 ,王如生 ；受冲击荷载作用土体变形的有限元研究 J；岩土力学 ；2004年 12期4.Tom LunneandMichaelLong；ReviewoflongseabedsamplersandcriteriafornewsamplerdesignM；arineGeology；2006年5.SomerfieldPJ,ClarkeKR；AcomparisonofsomemethodscommonlyusedforthecollectionofsublittoralsedimentsandtheirassociatedfaunaM；arineEnvironmentalResarch；1997年6.Skinner,L.C,andMcCave,I.N；Analysisandmodelingofgravity-andpistoncoringbasedonsoilmechan-icsM；arineGeology,；2003年7.PanJL,SelbyAR；SimulationofdynamiccompactionofloosegranularsoilsM；EngineeringSoftware；2002年8.WuXJ,RongY,inK；ResearchonHydro-percussionseabedsamplerM；JournalofTongjiUniversity(NaturalScience)；2005年9.NealJL,WalkerD；Samplings