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优化设计和有限元分析的核心机 摘要摘要 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 5 m h 在粘性土中是 l5 4 m h 而恢复率分别为68 和83 3 关键词 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 1 介绍介绍 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 2 有限元模型有限元模型 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 core cutter 在土壤中那部分的长度为 0 2m 核心刀 的总长度是 0 5 m 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 Plane 42 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 3 结果与讨论结果与讨论 3 13 1 尖端尖端形状的影响形状的影响 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 23 2 核心刀核心刀壁厚的影响壁厚的影响 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 33 3 尖端尖端角度的影响角度的影响 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 43 4 应力分布轮廓图应力分布轮廓图 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 4 实验实验 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 5 结论结论 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 Lunne and Michael Long Review of long seabed samplers and criteria for newsampler design M Marine Geology 2006 年 5 Somerfield P J Clarke K R A comparison of some methods commonly used for the collection of sublittoral sediments and their associated fauna M Marine Environmental Research 1997 年 6 Skinner L C and McCave I N Analysis and modeling of gravity and piston coring based on soil mechan ics M Marine Geology 2003 年 7 Pan J L SelbyAR Simulation of dynamic compaction of loose granular soils M Engineering Software 2002 年 8 Wu X J RongY YinK Research on Hydro percussion seabed sampler M Journal of Tongji University Natural Science 2005 年 9 Neale J L Walker D Sampling sediment under warm deep water M Quatemary Scienc