外文翻译--优化设计和有限元分析的核心机 中文版

优化设计和有限元分析的核心机 摘要 ： 液动潜孔锤采样器 是一种新型 采样器 ，它的重要部分是：核心刀具的结构对穿透性和核心修复有重要影响。实验采用能模拟两个或多个固体 大变形 摩擦接触的商用模拟 有限元程序 的相互作用。本文用 有限元的 方法，通过非线性瞬时动态分析，分析了刀具边缘形状、直径、和边缘角度对 渗透率 的影响。仿真结果表明，刀具形状对 渗透率 和核心修复有明显的影响。此外， 采样器 的 渗透率 随刀具内径的增加而增加，但随切割角的增加而降低。基于这些分析，在大连海湾北部边缘设计和测试了 核心刀 的优化结构，结果表明，在粉砂粘土 中， 渗透率 大约是16.5 m/h，在粘性土中是 l5.4 m/h，而恢复率分别为 68 和 83.3 。 关键词： 液动潜孔锤采样器 ；有限元分析；核心刀 -土壤相互作用；优化设计 1 介绍 近海采样技术是非常重要的，可用于海底稳定性的岩土评估，将沉积物恢复 可用于气候研究。但是，中国在这一领域的研究和发展比较缓慢，大多数采样设 备是从其他国家进口的，尤其是远程控制采样技术。虽然取得了一些成就，但是需要更好的技术用于大规模的海洋勘探采样。 最近， 液动潜孔锤采样器 是一种新型的海上采样器，主要用于下水深小于超过 50 米 情况。采样核心刀具设计的理论研究已经进行，因为它是这种新采样器中一个最重要的技术，它的结构和规模显然会影响 渗透率 和核心修复。实验中，用两个固体的 大变形 摩擦接触模拟的相互作用。使用 更新拉格朗日 方法模拟 渗透率 动态性，解决接触问题。有限元分析程序 应 用得到 了 结果。 2 有限元模型 土壤模仿不断弹塑性的使用德鲁克一普拉格模式的开发， 为了简单，把采样器 核心刀 看作理想的坚硬固体。开始时，土壤和核心刀具的参数如表 1。 在 渗透率 研究 过程中，核心刀具和土壤的交互作用可以用接触动力学建模，大量转移问题用增 广拉格朗日方法建模。 此法是一种惩罚相结合的方法和拉格朗 日乘数法并结合双方的优势 。与其他方法相比，增 加 拉格朗日 方法效果更好，对 与坚硬固体的接触不敏感。我们分别用 Target169 和 Contact171 模拟土壤的接触 面 ， Target169 和 Contact171 可在 Ansys9.0 元件库中找到，他们都使用默认值 。 核心刀具 和土壤 接口的摩擦滑动用库仑摩擦接触 联系 法模拟。在基本的 库伦摩擦 模型中，两个面互相接触，在它们开始相对滑动之前，可将接触面上的切变应力 剪应力 提高到一个水平。这种状况被称为 症结 。库仑 摩擦模型定义了一个等效（平衡） 剪应力 ，从等效（平衡） 剪应力 开始，表面的滑动开始作为摩擦接触压力。当超过切变应力，这两个表面会产生相对滑动。 核心刀 外径为 129mm， core cutter 在土壤中那部分的长度为 0.2m， 核心刀的总长度是 0.5 m。土壤体积用 核心刀 在土壤中的深度和外径衡量，我们的研究中为 0.5mX1m。 为了降低电脑成本和数据处理时间，我们选择一个轴对称模型。引入“细网格”对土壤和 核心刀 建模。选择第一 阶 四个节点元素 -Plane 42 。 Fig.1 给出了几何模型和有限元模型。假设 垂直方向没有位移，水平方向自由运动，在底部表面使用了 Roller 边界条件。与之对比的是，在右外侧边界，水平方向没有位移，垂直方向自由运动。沿中线采用对称边界条件，顶部表面建模为自由表面。如图Fig.1b 所示。 通过实验获得的 液动潜孔锤采样器 大约为近 100J，相当于质量为 35kg 下降30cm 的动能。平均冲击力是通过能量守恒定律和冲量守恒定律计算。m 是 锤 的质量， h 高度， v 是 锤 最后的速度， F 是冲力， t 是常数时间（当前使用29ms）。 为了模拟 液动潜孔锤采样器 的实际穿透 渗透率 过程， 采样器 使用了冲力。根据文献，力 -时间的关系图是一个阻尼半正弦波形或正态分布曲线。 在每个分析中，土壤首先采用重力荷载，在采样之前建立初始的原位应力状态。 3 结果与讨论 3.1 尖端 形状的影响 采样器在海底的 渗透率 取决于可用能量， 吊篮 直径， 尖端 配置和沉淀物属性。总的 渗透率 是 吊篮 和端点阻力之间摩擦综合作用，核心恢复与 核心班轮 内部的 综合调动摩擦 和样本相关，相对于 核心刀 前面的 内核 端 -承载力。也就是说， 渗透率和 核心修复 与 核心刀 的形状密切相关。 在我们的试验中，对四种不同类型的 尖端 形状进行了分析，阐述有限元程序的使用，深入理解对 渗透率 和 核心修复 的影响。 尖端 形状如图 Fig.3 所示。有限元方法的计算结果如图 Fig.4 所示。 Fig.4a 显示了 渗透率 和时间的关系。从中可以看出， 核心刀 1 的总 渗透率 约 12mm，后 面 的影响，比 核心刀 3 略多。一般而言，降低 尖端 会增加内部的沉淀，受到越来越多的向下摩擦阻力。这个摩擦力通过土壤转移，施加在 中心 孔径的横截面积上，表现为对土壤的垂直压力，这会导致样本的压缩。图 4b 显示样本压缩和时间的关系。可以看出， 核心刀 1 的样本压缩为 3.8mm，而 核心刀 3 为 4.7mm，例如，相对 核心刀 1 的样本，核心刀 3 缩短了修复的样本。这也就是说， 核心刀 1 的 核心修复 高于 核心刀 3。以下的研究使用 核心刀 1 的 尖端 形状。 3.2 核心刀 壁厚的影响 保持 刀具 1 外径为 129mm，分析内径分别为： 51， 61， 71， 81， 91， 101 的影响，采用有限元方法。结果如图 Fig.5。渗透率随壁厚的降低而增加，比如，增加 核心刀 内径。但是，减少壁厚也意味着较弱的 尖端 。 尖端 要足够厚，在插入到地面时才能应对弯曲。对于陆上任务， 刀具 壁厚通常采用 15mm 到 20mm，我的设计使用 19 毫米。 3.3 尖端 角度的影响 保 持 刀具 1 外径 129mm，内径 91mm，改变 刀具 边缘角的值，研究不同边缘角的影响。图 Fig.6 显示仿真结果。 随着边缘角增加，穿透性急剧下降到一个常数值。然而，如果过于边缘角过于 尖锐（ 过小），穿透过程中刀具可能损坏。我们设计的边缘角度是 15。 3.4 应力分布轮廓图 Fig.7 显示了采样器深度 0.2 米时计算得到的应力轮廓图。 尖端 附近径向应力的最大值约 273 千帕， 应力集中突出 的半径大约 4R， R 是采样器的外半径。 下面位 ，径向应力从一个高的压应力迅速下降到一个较低值。 尖端 下方垂直应力的最大值是 291 千帕。与径向应力 突出 相比，垂直应力 突出 下降。最大值切变应力是 980千帕，位于锥表面。 应力集中突出 径向几乎延伸到边界。此外，采样器附近有一个小的范围，切变应力可以压缩。 4 实验 采样器 液动潜孔锤采样器 的 渗透率 和 核心修复 性能已经在中国大连海湾北部水深 11 米的水中测试。在第一个往返过程中，采样器总的 渗透率 超过 2.2 米 , 8 分钟内 核心修复 是 1.5 米。 渗透率 率约为 16.5m/h，总的 核心修复 率约为 68。粉砂粘土是主要岩性，底部包括 0.2-0.3 米砂土层，图 Fig.8a。 另一个例子 Fig.8 是粉砂粘土中。在第一个往返过程中，采样器的 渗透率 是90cm,3.5 分钟内 核心修复 是 75cm。总的 渗透率 率约为 15.4m/h， 核心修复 率为83.3。 5 结论 本文为海底沉淀物采样器的 渗透率 建立模型，因为商用有限元程序能模拟 大变形 和摩擦接触，使用它研究 核心刀 参数如何影响 渗透率 。 （ 1）结果表明， 尖端 形状对 渗透率 和 核心修复 有重要影响。考虑四种类型 核心刀 ， 刀具 1 有最好的 渗透率 和 核心修复 。 渗透率 随壁厚和 尖端 角度的降低而增加，但是考虑到和 核心刀 变形之间要取得一个折中。 （ 2）研究土壤中的应 力分布对 锤 的影响。最大径向应力是在 尖端 附近，为273 千帕，最大垂直应力在 尖端 下面，为 291 千帕。 （ 3） 液动潜孔锤采样器 的 渗透率 在粉砂粘土和粉砂粘土中分别为 16.5m/h，15.4m/h，恢复率分别为 68 和 83.3 。 参考文献 1. 鄢泰宁 ,补家武 ,李邵军 ； 浅析国外海底取样技术的现状及发展趋势 海底取样技术介绍之一 J；地 质科技情报 ； 2000 年 02 期 2. 段新胜 ,鄢泰宁 ,陈劲 ,顾湘 ； 发展我国海底取样技术的几点设想 J；地质与勘探 ； 2003 年 02 期 3. 谭凡教 ,陈洪泳 ,殷琨 ,王如生 ； 受冲击荷载作用土体变形的有限元研究 J；岩土力学 ； 2004 年 12 期 4. Tom Lunne and Michael Long； Review of long seabed samplers and criteria for new sampler design M；Marine Geology； 2006 年 5. Somerfield P J, Clarke K R； A comparison of some methods commonly used for the collection of sublittoral sediments and their associated fauna M；Marine Environmental Research； 1997 年 6. Skinner ,L.C,and McCave ,I . N； Analysis and modeling of gravity-and piston coring based on soil mechan-ics M；Marine Geology,； 2003 年 7. Pan J L, Selby A R； Simulation of dynamic compaction of loose granular soils M；Engineering Software； 2002 年 8. Wu X J, Rong Y, Yin K； Research on Hydro-percussion seabed sampler M；Journal of Tongji University (Natural Science)； 2005 年 9. Neale J L, Walker D； Sampling sediment under warm deep water M；Quatemary Science