40米重力活塞取樣器設計及仿真.pdf

1、與發(fā)達國家相比，我國對大陸架及深海水域海底沉積物的研究還不深入，這與我國海底勘探的手段單一、海底取樣設備落后有很大的關(guān)系。因此，研究和開發(fā)功能強大、操作方便的海底取樣器，是我國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芯樣品常用的采樣器具之一。本文在對重力活塞取樣器工作原理和取樣深度影響因素進行分析研究的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有的取樣長度為20m的重力活塞取樣器進行實驗驗證，借助

2、有限元分析，設計出取樣長度達到40m的重力活塞取樣器。
　　 論文首先對重力活塞取樣器貫入沉積物的過程及其影響因素進行分析，推導出了取樣器貫入深度l的理論計算公式。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，沉積物的極限應摩擦系數(shù)τ，樣管周長c，最大截面直徑D的函數(shù)。海底沉積物的極限應摩擦系數(shù)τ對取樣器的貫入深度l有較大的影響。
　　 其次，進行了重力活塞取樣器貫入過程的實驗驗證。利用國家海洋局第一海洋研究所進行

3、的20m重力活塞取樣器深海沉積物取樣實驗所獲得的實驗數(shù)據(jù)對推導的取樣器貫入深度計算公式進行了驗證。
　　 然后，進行了重力活塞取樣器貫入過程的有限元仿真。從有限元分析結(jié)果可以看出，在取樣管貫入沉積物的過程中，周圍沉積物并沒有受到大的擾動。從沉積物的應力分布圖可知，在取樣管貫入沉積物的過程中，最大應力出現(xiàn)在取樣管下端與沉積物接觸的區(qū)域。在這個區(qū)域會形成一個彗尾狀的高應力區(qū)，從這個高應力區(qū)往外，應力逐漸減小。在取樣管貫入過程中，取樣

4、管下端的彗尾狀高應力區(qū)向下擴展。在這個高應力區(qū)內(nèi)，一部分沉積物進入取樣管內(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，影響周圍沉積物的應力分布。在取樣管與沉積物的接觸面之外一定距離形成一個圓筒形的較高應力區(qū)，這是取樣管下端彗尾狀高應力區(qū)的延續(xù)。將有限元分析的結(jié)果、理論計算的結(jié)果及實驗數(shù)據(jù)進行比較，驗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計提供依據(jù)。
　　 再次，進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)理論計算得到的20m重力活塞取樣器的失穩(wěn)臨界載荷及貫入過程中所受的阻力對實驗中使用的20m重力活塞取樣器的取樣管進行了壓桿穩(wěn)定校核，為40m重力活塞取樣器的取樣管設計提供了依據(jù)。
　　 最后，對40m重力活塞取樣器的取樣管、配重、活塞機構(gòu)、杠桿機構(gòu)、鋼纜卡具進行了設計及必要的校核。通過ABAQUS有限元軟件對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。這是因為，失穩(wěn)臨界載荷Fcr是指當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)是指取樣管進入曲線平衡狀態(tài)并達到第1階屈曲模態(tài)時的外載荷。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)時將失去承載能力，通過取樣管屈曲分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)實際的情況并不是這樣的，結(jié)構(gòu)在曲線平衡狀態(tài)時仍有一定的承載能力。即取樣管在載荷作用下