外文翻譯--優(yōu)化設計和有限元分析的核心機 中文版

1、<p>　　優(yōu)化設計和有限元分析的核心機</p><p>　　摘要：液動潛孔錘采樣器是一種新型采樣器，它的重要部分是：核心刀具的結(jié)構(gòu)對穿透性和核心修復有重要影響。實驗采用能模擬兩個或多個固體大變形摩擦接觸的商用模擬有限元程序的相互作用。本文用有限元的方法，通過非線性瞬時動態(tài)分析，分析了刀具邊緣形狀、直徑、和邊緣角度對滲透率的影響。仿真結(jié)果表明，刀具形狀對滲透率和核心修復有明顯的影響。此外，采樣器的滲透率

2、隨刀具內(nèi)徑的增加而增加，但隨切割角的增加而降低。基于這些分析，在大連海灣北部邊緣設計和測試了核心刀的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，在粉砂粘土中，滲透率大約是16.5 m/h，在粘性土中是l5.4 m/h，而恢復率分別為68 ％和83.3 ％。</p><p>　　關(guān)鍵詞：液動潛孔錘采樣器；有限元分析；核心刀-土壤相互作用；優(yōu)化設計</p><p><b>　　1 介紹</b>&

3、lt;/p><p>　　近海采樣技術(shù)是非常重要的，可用于海底穩(wěn)定性的巖土評估，將沉積物恢復 可用于氣候研究。但是，中國在這一領(lǐng)域的研究和發(fā)展比較緩慢，大多數(shù)采樣設 備是從其他國家進口的，尤其是遠程控制采樣技術(shù)。雖然取得了一些成就，但是需要更好的技術(shù)用于大規(guī)模的海洋勘探采樣。</p><p>　　最近，液動潛孔錘采樣器是一種新型的海上采樣器，主要用于下水深小于超過50米情況。采樣核心刀具設計的

4、理論研究已經(jīng)進行，因為它是這種新采樣器中一個最重要的技術(shù)，它的結(jié)構(gòu)和規(guī)模顯然會影響滲透率和核心修復。實驗中，用兩個固體的大變形摩擦接觸模擬的相互作用。使用更新拉格朗日方法模擬滲透率動態(tài)性，解決接觸問題。有限元分析程序應用得到了結(jié)果。</p><p><b>　　2 有限元模型</b></p><p>　　土壤模仿不斷彈塑性的使用德魯克一普拉格模式的開發(fā)，為了簡單，把采

5、樣器核心刀看作理想的堅硬固體。開始時，土壤和核心刀具的參數(shù)如表1。</p><p>　　在滲透率研究過程中，核心刀具和土壤的交互作用可以用接觸動力學建模，大量轉(zhuǎn)移問題用增廣拉格朗日方法建模。此法是一種懲罰相結(jié)合的方法和拉格朗 日乘數(shù)法并結(jié)合雙方的優(yōu)勢。與其他方法相比，增加拉格朗日方法效果更好，對 與堅硬固體的接觸不敏感。我們分別用Target169和Contact171模擬土壤的接觸 面 ，Target169和C

6、ontact171可在Ansys9.0元件庫中找到，他們都使用默認值。</p><p>　　核心刀具和土壤接口的摩擦滑動用庫侖摩擦接觸聯(lián)系法模擬。在基本的庫倫摩擦模型中，兩個面互相接觸，在它們開始相對滑動之前，可將接觸面上的切變應力剪應力提高到一個水平。這種狀況被稱為癥結(jié)。庫侖摩擦模型定義了一個等效（平衡）剪應力，從等效（平衡）剪應力開始，表面的滑動開始作為摩擦接觸壓力。當超過切變應力，這兩個表面會產(chǎn)生相對滑動。

7、</p><p>　　核心刀外徑為129mm，core cutter在土壤中那部分的長度為0.2m，核心刀的總長度是0.5 m。土壤體積用核心刀在土壤中的深度和外徑衡量，我們的研究中為0.5mX1m。</p><p>　　為了降低電腦成本和數(shù)據(jù)處理時間，我們選擇一個軸對稱模型。引入“細網(wǎng)格”對土壤和核心刀建模。選擇第一階四個節(jié)點元素-Plane 42 。Fig.1給出了幾何模型和有限元模型

8、。假設垂直方向沒有位移，水平方向自由運動，在底部表面使用了Roller邊界條件。與之對比的是，在右外側(cè)邊界，水平方向沒有位移，垂直方向自由運動。沿中線采用對稱邊界條件，頂部表面建模為自由表面。如圖Fig.1b所示。</p><p>　　通過實驗獲得的液動潛孔錘采樣器大約為近100J，相當于質(zhì)量為35kg下降30cm的動能。平均沖擊力是通過能量守恒定律和沖量守恒定律計算。</p><p>　

9、　m是錘的質(zhì)量，h高度，v是錘最后的速度，F(xiàn)是沖力，t是常數(shù)時間（當前使用29ms）。</p><p>　　為了模擬液動潛孔錘采樣器的實際穿透滲透率過程，采樣器使用了沖力。根據(jù)文獻，力-時間的關(guān)系圖是一個阻尼半正弦波形或正態(tài)分布曲線。</p><p>　　在每個分析中，土壤首先采用重力荷載，在采樣之前建立初始的原位應力狀態(tài)。</p><p><b>　　3

10、結(jié)果與討論</b></p><p>　　3.1 尖端形狀的影響</p><p>　　采樣器在海底的滲透率取決于可用能量，吊籃直徑，尖端配置和沉淀物屬性。總的滲透率是吊籃和端點阻力之間摩擦綜合作用，核心恢復與核心班輪內(nèi)部的綜合調(diào)動摩擦和樣本相關(guān)，相對于核心刀前面的內(nèi)核端-承載力。也就是說，滲透率和核心修復與核心刀的形狀密切相關(guān)。</p><p>　　在我們

11、的試驗中，對四種不同類型的尖端形狀進行了分析，闡述有限元程序的使用，深入理解對滲透率和核心修復的影響。尖端形狀如圖Fig.3所示。</p><p>　　有限元方法的計算結(jié)果如圖Fig.4所示。Fig.4a顯示了滲透率和時間的關(guān)系。從中可以看出，核心刀1的總滲透率約12mm，后面的影響，比核心刀3略多。一般而言，降低尖端會增加內(nèi)部的沉淀，受到越來越多的向下摩擦阻力。這個摩擦力通過土壤轉(zhuǎn)移，施加在中心孔徑的橫截面積上

12、，表現(xiàn)為對土壤的垂直壓力，這會導致樣本的壓縮。圖4b顯示樣本壓縮和時間的關(guān)系。可以看出，核心刀1的樣本壓縮為3.8mm，而核心刀3為4.7mm，例如，相對核心刀1的樣本，核心刀3縮短了修復的樣本。這也就是說，核心刀1的核心修復高于核心刀3。以下的研究使用核心刀1的尖端形狀。</p><p>　　3.2 核心刀壁厚的影響</p><p>　　保持刀具1外徑為129mm，分析內(nèi)徑分別為：51，

13、61，71，81，91，101的影響，采用有限元方法。結(jié)果如圖Fig.5。滲透率隨壁厚的降低而增加，比如，增加核心刀內(nèi)徑。但是，減少壁厚也意味著較弱的尖端。尖端要足夠厚，在插入到地面時才能應對彎曲。對于陸上任務，刀具壁厚通常采用15mm到20mm，我的設計使用19毫米。</p><p>　　3.3 尖端角度的影響</p><p>　　保持刀具1外徑129mm，內(nèi)徑91mm，改變刀具邊緣角的

14、值，研究不同邊緣角的影響。圖Fig.6顯示仿真結(jié)果。</p><p>　　隨著邊緣角增加，穿透性急劇下降到一個常數(shù)值。然而，如果過于邊緣角過于尖銳（過小），穿透過程中刀具可能損壞。我們設計的邊緣角度是15。</p><p>　　3.4應力分布輪廓圖</p><p>　　Fig.7顯示了采樣器深度0.2米時計算得到的應力輪廓圖。尖端附近徑向應力的最大值約273千帕，應

15、力集中突出的半徑大約4R，R是采樣器的外半徑。下面位，徑向應力從一個高的壓應力迅速下降到一個較低值。尖端下方垂直應力的最大值是291千帕。與徑向應力突出相比，垂直應力突出下降。最大值切變應力是980千帕，位于錐表面。應力集中突出徑向幾乎延伸到邊界。此外，采樣器附近有一個小的范圍，切變應力可以壓縮。</p><p><b>　　4實驗</b></p><p>　　采樣器

16、液動潛孔錘采樣器的滲透率和核心修復性能已經(jīng)在中國大連海灣北部水深11米的水中測試。在第一個往返過程中，采樣器總的滲透率超過2.2米, 8分鐘內(nèi)核心修復是1.5米。滲透率率約為16.5m/h，總的核心修復率約為68％。粉砂粘土是主要巖性，底部包括0.2-0.3米砂土層，圖Fig.8a。</p><p>　　另一個例子Fig.8是粉砂粘土中。在第一個往返過程中，采樣器的滲透率是90cm,3.5分鐘內(nèi)核心修復是75cm

17、?？偟臐B透率率約為15.4m/h， 核心修復率為83.3％。</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　本文為海底沉淀物采樣器的滲透率建立模型，因為商用有限元程序能模擬大變形和摩擦接觸，使用它研究核心刀參數(shù)如何影響滲透率。</p><p>　?。?）結(jié)果表明，尖端形狀對滲透率和核心修復有重要影響?？紤]四種類型核心刀，刀具

18、1有最好的滲透率和核心修復。滲透率隨壁厚和尖端角度的降低而增加，但是考慮到和核心刀變形之間要取得一個折中。</p><p>　　（2）研究土壤中的應力分布對錘的影響。最大徑向應力是在尖端附近，為273千帕，最大垂直應力在尖端下面，為291千帕。</p><p>　?。?）液動潛孔錘采樣器的滲透率在粉砂粘土和粉砂粘土中分別為16.5m/h，15.4m/h，恢復率分別為68 ％和83.3 ％。

19、</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　鄢泰寧,補家武,李邵軍; 淺析國外海底取樣技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢——海底取樣技術(shù)介紹之一 [J];地 質(zhì)科技情報; 2000年02期 </p><p>　　段新勝,鄢泰寧,陳勁,顧湘; 發(fā)展我國海底取樣技術(shù)的幾點設想 [J];地質(zhì)與勘探; 2003年02期</p>

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