40米重力活塞取样器设计及仿真

摘要

与发达国家相比，我国对大陆架及深海水域海底沉积物的研究还不深入，这与我国海底勘探的手段单一、海底取样设备落后有很大的关系。因此，研究和开发功能强大、操作方便的海底取样器，是我国新一轮海底资源大调查、海底地质结构研究和海洋环境研究急需解决的课题。重力活塞取样器是采取海底松散沉积物柱状长芯样品常用的采样器具之一。本文在对重力活塞取样器工作原理和取样深度影响因素进行分析研究的基础上，利用现有的取样长度为20m的重力活塞取样器进行实验验证，借助有限元分析，设计出取样长度达到40m的重力活塞取样器。
　　 论文首先对重力活塞取样器贯入沉积物的过程及其影响因素进行分析，推导出了取样器贯入深度l的理论计算公式。得到取样器的贯入深度l是其本身质量m，重力加速度g，沉积物的极限应摩擦系数τ，样管周长c，最大截面直径D的函数。海底沉积物的极限应摩擦系数τ对取样器的贯入深度l有较大的影响。
　　 其次，进行了重力活塞取样器贯入过程的实验验证。利用国家海洋局第一海洋研究所进行的20m重力活塞取样器深海沉积物取样实验所获得的实验数据对推导的取样器贯入深度计算公式进行了验证。
　　 然后，进行了重力活塞取样器贯入过程的有限元仿真。从有限元分析结果可以看出，在取样管贯入沉积物的过程中，周围沉积物并没有受到大的扰动。从沉积物的应力分布图可知，在取样管贯入沉积物的过程中，最大应力出现在取样管下端与沉积物接触的区域。在这个区域会形成一个彗尾状的高应力区，从这个高应力区往外，应力逐渐减小。在取样管贯入过程中，取样管下端的彗尾状高应力区向下扩展。在这个高应力区内，一部分沉积物进入取样管内成为获取的沉积物样品，剩余的沉积物沿彗尾方向向外流动，影响周围沉积物的应力分布。在取样管与沉积物的接触面之外一定距离形成一个圆筒形的较高应力区，这是取样管下端彗尾状高应力区的延续。将有限元分析的结果、理论计算的结果及实验数据进行比较，验证了有限元模型及理论分析的正确性，为40m重力活塞取样器的设计提供依据。
　　 再次，进行了重力活塞取样器压杆稳定校核。取样管在贯入沉积物的过程中，贯入阻力主要是取样管外壁与海底沉积物之间的摩擦力。根据理论计算得到的20m重力活塞取样器的失稳临界载荷及贯入过程中所受的阻力对实验中使用的20m重力活塞取样器的取样管进行了压杆稳定校核，为40m重力活塞取样器的取样管设计提供了依据。
　　 最后，对40m重力活塞取样器的取样管、配重、活塞机构、杠杆机构、钢缆卡具进行了设计及必要的校核。通过ABAQUS有限元软件对取样管屈曲分析的结果可以发现取样管第1阶屈曲模态特征值Ft(l)大于压杆稳定校核得到的失稳临界载荷Fcr。这是因为，失稳临界载荷Fcr是指当取样管在外载荷作用下由直线平衡状态变为曲线平衡状态时的临界载荷。而屈曲分析中第1阶特征值Ft(l)是指取样管进入曲线平衡状态并达到第1阶屈曲模态时的外载荷。压杆稳定分析中假定结构由直线平衡状态变为曲线平衡状态时将失去承载能力，通过取样管屈曲分析的结果可以发现实际的情况并不是这样的，结构在曲线平衡状态时仍有一定的承载能力。即取样管在载荷作用下，当端部载荷达到失稳临界载荷Fcr时，取样管将由直线平衡状态变为曲线平衡状态，这时如果载荷继续增加，取样管将在曲线平衡状态下承受端部载荷，当载荷增大到Ft(l)时，取样管达到第1阶屈曲模态。管接头的存在使取样管各阶屈曲特征值明显增大，同时管接头的加强（管接头壁厚或长度增加）也会使取样管各阶屈曲特征值增大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 重力活塞取样器的组成

1．3 取样作业的技术关键

1．4 重力活塞取样器的理论与技术发展

1．5 论文主要研究内容

第2章 重力活塞取样器贯入过程的理论分析

2．1 重力活塞取样器的工作过程

2．2 取样器贯入深度的理论分析计算

2．3 本章小结

第3章 重力活塞取样器贯入过程的实验验证

3．1 取样器贯入过程的室内模拟实验

3．2 取样器贯入过程的海上实验验证

3．2．1 重力活塞取样器释放及回收程序

3．2．2 海上实验数据分析

3．3 本章小结

第4章 基于ABAQUS取样器贯入过程有限元分析

4．1 ABAQUS有限元分析软件简介

4．1．1 ABAQUS主要组成模块

4．1．2 ABAQUS／CAE特征及功能介绍

4．1．3 ABAQUS中非线性问题的处理

4．2 有限元建模过程

4．3 有限元结果分析

4．4 本章小结

第5章 重力活塞取样器压杆稳定分析

5．1 取样管压杆稳定分析的基本原理

5．1．1 取样管压杆稳定分析的原因

5．1．2 两端铰支细长杆件的临界压力

5．1．3 欧拉公式的适用范围及经验公式

5．2 20m重力活塞取样器压杆稳定校核

5．2．1 取样管失稳临界压力计算

5．2．2 取样管贯入过程中贯入阻力的计算

5．2．3 失稳临界压力Fcr与贯入阻力Fs的比较

5．3 本章小结

第6章 40m重力活塞取样器的取样管设计及优化

6．1 40m重力活塞取样器的取样管参数选择及校核

6．1．1 取样管尺寸参数及材料的选择

6．1．2 40m重力活塞取样器9Cr2Mo材质取样管压杆稳定校核

6．2 40m取样管的优化设计

6．2．1 40米9Cr2Mo材质取样管参数的优化设计

6．2．2 使用碳纤维管材对40m取样管优化设计

6．3 本章小结

第7章 基于Abaqus的取样管特征值屈曲分析

7．1 特征值届曲分析的原理

7．2 ABAQUS届曲特征值提取方法

7．3 建模计算过程

7．4 结果分析

7．5 本章小结

第8章 40m重力活塞取样器配重设计及贯入深度计算

8．1 40m重力活塞取样器的配重选择

8．2 40m重力活塞取样器尺寸及配重参数

8．3 40m重力活塞取样器贯入深度的计算分析

8．3．1 40m重力活塞取样器贯入深度的理论计算结果

8．3．2 40m重力活塞取样器贯入深度的有限元分析结果

8．4 本章小结

第9章 取样器活塞机构、杠杆机构及钢缆卡具设计

9．1 40m重力活塞取样嚣活塞机构设计

9．1．1 取样嚣贯入过程土塞效应分析

9．1．2 重力活塞取样器中活塞的作用及其结构

9．2 40m重力活塞取样器杠杆机构设计

9．2．1 杠杆机构受力分析

9．2．2 杠杆机构BC段设计

9．2．3 杠杆机构BC段有限元分析

9．2．4 杠杆机构AB段设计

9．3 40m重力活塞取样器钢缆卡具设计

9．3．1 钢缆卡具的设计思路

9．3．2 钢缆卡具卡紧力计算

9．3．3 钢缆卡具基本尺寸确定

9．3．4 钢缆卡具的螺栓选择

9．4 本章小结

第10章 总结与展望

10．1 研究总结

10．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间完成的学术论文

致谢