40米重力活塞取样器设计及仿真

发布时间：2020-07-08 16:20

【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，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Ft1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Ft1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Ft1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。
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH766.7
【图文】：

组成图,取样器,重力活塞,组成图

青岛理工大学工学硕士学位论文3图1-1 重力活塞取样器组成图Figure 1-1 composition of the gravity piston corer1.3 取样作业的技术关键各种类型的取样器工作过程基本相同，因为取样器体积较大，存放时一般需要拆分开，以部件的形式存放。取样作业时，首先在甲板上对取样器进行组装，然后让考察船处于漂泊状态，开启门吊和绞车，挂上取样器，门吊吊臂探出船外，操纵绞车，施放钢缆将取样器放置海底，待取样器贯入海底后，回收钢缆，收回取样器，得到样品。取样过程遇到的几个关键技术如下：（1）海流对取样作业的影响海流分为表层海流和中层海流，在接近海底的一定深度范围内，海流很小或近似为零。而海流对取样作业的影响主要发生在取样器触底之后，因此海流对取样器本身影响不大

模型组成,取样器

力活塞取样器贯入过程进行了实验验证。首先对重力室内模拟实验，重点是对重力活塞取样器的工作过程然后利用国家海洋局第一海洋研究所进行的 20m 重力实验所获得的实验数据对推导的取样器贯入深度理论贯入过程的室内模拟实验活塞取样器一般在远洋深海使用，深海沉积物的获取动，实验周期长、难度大、费用高。因此设计 40m 重行的实地取样试验是依托国家海洋局第一海洋研究所样器的工作过程及取样原理有直观的认识，按比例缩模型。配置了饱和水黏土来模拟海底沉积物。模拟重行了室内贯入实验。制作的取样器模型如图 3-1 所示。

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（c）取样器贯入黏土中（d）回收取样器图 3-2 室内模拟实验过程Figure 3-2 process of indoor simulate experiment室内模拟实验得到的数据如表 3-1 所示。表 3-1 室内模拟实验数据Table 3-1 data of indoor simulate experiment配重质量(kg) 释放高度(m) 贯入深度(mm) 末速度（m/s）钢制取样管外径 34mm，内径 28.5mm，长 212mm3.496 400 92 2.83.496 600 107 3.429285643.496 800 112 3.959797975

【参考文献】