水下打樁錘沖擊系統(tǒng)動力學分析及砧鐵構型優(yōu)化.pdf

1、目前打入式樁基礎仍是海洋油氣平臺最可靠的基礎形式。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，進口國外的設備不但價格高昂，而且設備的維護、技術支持難以保障，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行總體結構設計的基礎上，主要對大沖擊能量水下打樁

2、錘的沖擊系統(tǒng)進行研究，建立了沖擊系統(tǒng)的軸對稱動力學模型，提出了對其進行數(shù)值求解的方法，通過對數(shù)值仿真結果的分析，得出砧鐵的構型參數(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、適應樁徑、適用水深的要求。根據(jù)以上提出的要求及技術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計方案，解決了沖擊系統(tǒng)面臨的水下環(huán)境適應性問題；確定了雙作用液壓驅動方案，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)的設計方案，完成了水下液壓打樁錘的總體結構設計。
　　建立了沖擊系統(tǒng)的軸對稱動力學模型。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模型在曲線網(wǎng)格下的數(shù)值求解方法，推導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)為構型參數(shù)。通過對不同構型參數(shù)的砧鐵進行錘擊數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)砧鐵的構型參數(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)的最大應力值沒有影響，對砧鐵中的最大應力的影響達165.53MPa，對樁內(nèi)的最大應力的影響達90.77MPa。通過徑向基函數(shù)法，獲得了砧鐵的構型參數(shù)與錘擊結束后沖擊能量傳遞效率、撞擊過程中砧鐵內(nèi)的最大應力及樁內(nèi)的最大應力之間的近似函數(shù)關系。建立了二次曲線輪廓砧鐵的構型優(yōu)化模型，優(yōu)化模型

6、以錘擊結束后沖擊能量傳遞效率最大為目標函數(shù)，以錘擊過程中砧鐵內(nèi)的最大應力及樁內(nèi)的最大應力滿足許用應力要求為約束條件，根據(jù)不同徑向函數(shù)表達的性能參數(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)化結果。
　　為了驗證錘芯和樁的數(shù)值計算模型的正確性，設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，實驗結果與數(shù)值結果趨

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，獲得的仿真結果與MENCK公司的數(shù)據(jù)基本相符。對所獲得的8組砧鐵構型優(yōu)化結果進行了仿真分析，優(yōu)化結果與數(shù)值結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)的準確性，并確定了最優(yōu)的砧鐵構型參數(shù)。
　　本文的研究成果為水下打樁錘沖擊系統(tǒng)的設計提供了理論基礎及數(shù)值計算方法，為具有光滑曲線輪廓的砧鐵提供了一種構型優(yōu)化設計方法，為