水下打樁錘沖擊系統(tǒng)動力學(xué)分析及砧鐵構(gòu)型優(yōu)化.pdf

1、目前打入式樁基礎(chǔ)仍是海洋油氣平臺最可靠的基礎(chǔ)形式。隨著海洋油氣平臺日益趨于大型化，所使用樁的直徑和長度不斷變大。因此大沖擊能量的水下打樁錘是海洋油氣平臺樁基施工中的關(guān)鍵裝備。然而目前我國尚無一臺可以投入實際使用的大沖擊能量打樁錘，進(jìn)口國外的設(shè)備不但價格高昂，而且設(shè)備的維護(hù)、技術(shù)支持難以保障，這直接影響了我國對海洋油氣資源的開發(fā)，所以迫切需要研制大沖擊能量水下打樁錘。本文在對水下液壓打樁錘進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，主要對大沖擊能量水下打樁

2、錘的沖擊系統(tǒng)進(jìn)行研究，建立了沖擊系統(tǒng)的軸對稱動力學(xué)模型，提出了對其進(jìn)行數(shù)值求解的方法，通過對數(shù)值仿真結(jié)果的分析，得出砧鐵的構(gòu)型參數(shù)對沖擊系統(tǒng)動態(tài)性能的影響規(guī)律。建立了基于動態(tài)強度的砧鐵構(gòu)型優(yōu)化模型，采用有效集優(yōu)化算法獲得了滿足強度要求的最優(yōu)構(gòu)型參數(shù)。
　　通過水下打樁施工實例的分析，提出了水下液壓打樁錘沖擊系統(tǒng)最大沖擊能量、適應(yīng)樁徑、適用水深的要求。根據(jù)以上提出的要求及技術(shù)成熟的陸用打樁錘沖擊系統(tǒng)組成，提出了水下打樁錘沖擊系統(tǒng)的合

3、理組成是錘芯、砧鐵、樁，取消了陸用打樁錘沖擊系統(tǒng)中常包含的錘墊和樁墊；提出了基于潛水鐘原理的雙層錘殼設(shè)計方案，解決了沖擊系統(tǒng)面臨的水下環(huán)境適應(yīng)性問題；確定了雙作用液壓驅(qū)動方案，在滿足大沖擊能量的要求下降低了錘體重量，縮小了錘體體積；為了減輕打樁時錘體受到的反沖擊，提出了錘芯懸吊單元及砧鐵緩沖環(huán)的設(shè)計方案，完成了水下液壓打樁錘的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。
　　建立了沖擊系統(tǒng)的軸對稱動力學(xué)模型。基于Lax-Wendroff差分方法，實現(xiàn)了錘芯和樁

4、的軸對稱動力學(xué)模型的數(shù)值求解，給出了錘芯和樁的邊界條件的數(shù)值計算格式。提出了砧鐵的軸對稱動力學(xué)模型在曲線網(wǎng)格下的數(shù)值求解方法，推導(dǎo)出了砧鐵曲線邊界條件的數(shù)值計算格式。通過在魏文禮給出的曲線網(wǎng)格劃分方法中補充邊界節(jié)點正交修正算法，改善了砧鐵貼體曲線網(wǎng)格的均勻性及相交網(wǎng)格線的正交性，解決了沖擊系統(tǒng)軸對稱動力學(xué)模型數(shù)值求解不易收斂的問題。
　　建立了1200kJ水下打樁錘砧鐵的二維軸對稱參數(shù)化模型，模型以砧鐵內(nèi)輪廓曲線函數(shù)的常數(shù)項及以砧

5、鐵外輪廓曲線函數(shù)的二次項系數(shù)為構(gòu)型參數(shù)。通過對不同構(gòu)型參數(shù)的砧鐵進(jìn)行錘擊數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)砧鐵的構(gòu)型參數(shù)對沖擊能量傳遞效率的影響為3％左右，對錘擊過程中錘芯內(nèi)的最大應(yīng)力值沒有影響，對砧鐵中的最大應(yīng)力的影響達(dá)165.53MPa，對樁內(nèi)的最大應(yīng)力的影響達(dá)90.77MPa。通過徑向基函數(shù)法，獲得了砧鐵的構(gòu)型參數(shù)與錘擊結(jié)束后沖擊能量傳遞效率、撞擊過程中砧鐵內(nèi)的最大應(yīng)力及樁內(nèi)的最大應(yīng)力之間的近似函數(shù)關(guān)系。建立了二次曲線輪廓砧鐵的構(gòu)型優(yōu)化模型，優(yōu)化模型

6、以錘擊結(jié)束后沖擊能量傳遞效率最大為目標(biāo)函數(shù)，以錘擊過程中砧鐵內(nèi)的最大應(yīng)力及樁內(nèi)的最大應(yīng)力滿足許用應(yīng)力要求為約束條件，根據(jù)不同徑向函數(shù)表達(dá)的性能參數(shù)的近似函數(shù)，組合出了8組優(yōu)化模型。通過fmincon非線性多變量優(yōu)化工具箱求解了優(yōu)化模型，獲得了8組滿足1200kJ水下打樁錘沖擊系統(tǒng)動態(tài)強度要求的優(yōu)化結(jié)果。
　　為了驗證錘芯和樁的數(shù)值計算模型的正確性，設(shè)計了兩桿軸向撞擊實驗裝置，完成了兩實心鋁桿和兩鋁管的撞擊實驗，實驗結(jié)果與數(shù)值結(jié)果趨

7、勢一致。為了驗證砧鐵數(shù)值計算模型的正確性，建立了MENCK公司1200S水下打樁錘沖擊系統(tǒng)的數(shù)值計算模型，獲得的仿真結(jié)果與MENCK公司的數(shù)據(jù)基本相符。對所獲得的8組砧鐵構(gòu)型優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了仿真分析，優(yōu)化結(jié)果與數(shù)值結(jié)果的最大相對誤差為1.7%，驗證了各性能參數(shù)近似函數(shù)的準(zhǔn)確性，并確定了最優(yōu)的砧鐵構(gòu)型參數(shù)。
　　本文的研究成果為水下打樁錘沖擊系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)及數(shù)值計算方法，為具有光滑曲線輪廓的砧鐵提供了一種構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計方法，為