外文翻譯--優(yōu)化設(shè)計(jì)和有限元分析的核心機(jī) 中文版

1、<p>　　優(yōu)化設(shè)計(jì)和有限元分析的核心機(jī)</p><p>　　摘要：液動(dòng)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(duì)穿透性和核心修復(fù)有重要影響。實(shí)驗(yàn)采用能模擬兩個(gè)或多個(gè)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(shí)動(dòng)態(tài)分析，分析了刀具邊緣形狀、直徑、和邊緣角度對(duì)滲透率的影響。仿真結(jié)果表明，刀具形狀對(duì)滲透率和核心修復(fù)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?；谶@些分析，在大連海灣北部邊緣設(shè)計(jì)和測(cè)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(fù)率分別為68 ％和83.3 ％。</p><p>　　關(guān)鍵詞：液動(dòng)潛孔錘采樣器；有限元分析；核心刀-土壤相互作用；優(yōu)化設(shè)計(jì)</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(píng)估，將沉積物恢復(fù) 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(shè) 備是從其他國家進(jìn)口的，尤其是遠(yuǎn)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(dòng)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(shè)計(jì)的

4、理論研究已經(jīng)進(jìn)行，因?yàn)樗沁@種新采樣器中一個(gè)最重要的技術(shù)，它的結(jié)構(gòu)和規(guī)模顯然會(huì)影響滲透率和核心修復(fù)。實(shí)驗(yàn)中，用兩個(gè)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(dòng)態(tài)性，解決接觸問題。有限元分析程序應(yīng)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(jiǎn)單，把采

5、樣器核心刀看作理想的堅(jiān)硬固體。開始時(shí)，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(dòng)力學(xué)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(shì)。與其他方法相比，增加拉格朗日方法效果更好，對(duì) 與堅(jiān)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(rèn)值。</p><p>　　核心刀具和土壤接口的摩擦滑動(dòng)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(gè)面互相接觸，在它們開始相對(duì)滑動(dòng)之前，可將接觸面上的切變應(yīng)力剪應(yīng)力提高到一個(gè)水平。這種狀況被稱為癥結(jié)。庫侖摩擦模型定義了一個(gè)等效（平衡）剪應(yīng)力，從等效（平衡）剪應(yīng)力開始，表面的滑動(dòng)開始作為摩擦接觸壓力。當(dāng)超過切變應(yīng)力，這兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。

7、</p><p>　　核心刀外徑為129mm，core cutter在土壤中那部分的長(zhǎng)度為0.2m，核心刀的總長(zhǎng)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(shí)間，我們選擇一個(gè)軸對(duì)稱模型。引入“細(xì)網(wǎng)格”對(duì)土壤和核心刀建模。選擇第一階四個(gè)節(jié)點(diǎn)元素-Plane 42 。Fig.1給出了幾何模型和有限元模型

8、。假設(shè)垂直方向沒有位移，水平方向自由運(yùn)動(dòng)，在底部表面使用了Roller邊界條件。與之對(duì)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(yùn)動(dòng)。沿中線采用對(duì)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(shí)驗(yàn)獲得的液動(dòng)潛孔錘采樣器大約為近100J，相當(dāng)于質(zhì)量為35kg下降30cm的動(dòng)能。平均沖擊力是通過能量守恒定律和沖量守恒定律計(jì)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(shí)間（當(dāng)前使用29ms）。</p><p>　　為了模擬液動(dòng)潛孔錘采樣器的實(shí)際穿透滲透率過程，采樣器使用了沖力。根據(jù)文獻(xiàn)，力-時(shí)間的關(guān)系圖是一個(gè)阻尼半正弦波形或正態(tài)分布曲線。</p><p>　　在每個(gè)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(yīng)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?？偟臐B透率是吊籃和端點(diǎn)阻力之間摩擦綜合作用，核心恢復(fù)與核心班輪內(nèi)部的綜合調(diào)動(dòng)摩擦和樣本相關(guān)，相對(duì)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(fù)與核心刀的形狀密切相關(guān)。</p><p>　　在我們

11、的試驗(yàn)中，對(duì)四種不同類型的尖端形狀進(jìn)行了分析，闡述有限元程序的使用，深入理解對(duì)滲透率和核心修復(fù)的影響。尖端形狀如圖Fig.3所示。</p><p>　　有限元方法的計(jì)算結(jié)果如圖Fig.4所示。Fig.4a顯示了滲透率和時(shí)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(huì)增加內(nèi)部的沉淀，受到越來越多的向下摩擦阻力。這個(gè)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(duì)土壤的垂直壓力，這會(huì)導(dǎo)致樣本的壓縮。圖4b顯示樣本壓縮和時(shí)間的關(guān)系?？梢钥闯?，核心刀1的樣本壓縮為3.8mm，而核心刀3為4.7mm，例如，相對(duì)核心刀1的樣本，核心刀3縮短了修復(fù)的樣本。這也就是說，核心刀1的核心修復(fù)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(shí)才能應(yīng)對(duì)彎曲。對(duì)于陸上任務(wù)，刀具壁厚通常采用15mm到20mm，我的設(shè)計(jì)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(gè)常數(shù)值。然而，如果過于邊緣角過于尖銳（過?。?，穿透過程中刀具可能損壞。我們?cè)O(shè)計(jì)的邊緣角度是15。</p><p>　　3.4應(yīng)力分布輪廓圖</p><p>　　Fig.7顯示了采樣器深度0.2米時(shí)計(jì)算得到的應(yīng)力輪廓圖。尖端附近徑向應(yīng)力的最大值約273千帕，應(yīng)

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(yīng)力從一個(gè)高的壓應(yīng)力迅速下降到一個(gè)較低值。尖端下方垂直應(yīng)力的最大值是291千帕。與徑向應(yīng)力突出相比，垂直應(yīng)力突出下降。最大值切變應(yīng)力是980千帕，位于錐表面。應(yīng)力集中突出徑向幾乎延伸到邊界。此外，采樣器附近有一個(gè)小的范圍，切變應(yīng)力可以壓縮。</p><p><b>　　4實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　采樣器

16、液動(dòng)潛孔錘采樣器的滲透率和核心修復(fù)性能已經(jīng)在中國大連海灣北部水深11米的水中測(cè)試。在第一個(gè)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(fù)是1.5米。滲透率率約為16.5m/h，總的核心修復(fù)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(gè)例子Fig.8是粉砂粘土中。在第一個(gè)往返過程中，采樣器的滲透率是90cm,3.5分鐘內(nèi)核心修復(fù)是75cm

17、?？偟臐B透率率約為15.4m/h， 核心修復(fù)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?yàn)樯逃糜邢拊绦蚰苣M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(duì)滲透率和核心修復(fù)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(fù)。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(gè)折中。</p><p>　?。?）研究土壤中的應(yīng)力分布對(duì)錘的影響。最大徑向應(yīng)力是在尖端附近，為273千帕，最大垂直應(yīng)力在尖端下面，為291千帕。</p><p>　?。?）液動(dòng)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(fù)率分別為68 ％和83.3 ％。

19、</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　鄢泰寧,補(bǔ)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(shì)——海底取樣技術(shù)介紹之一 [J];地 質(zhì)科技情報(bào); 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(diǎn)設(shè)想 [J];地質(zhì)與勘探; 2003年02期</p>

20、<p>　　譚凡教,陳洪泳,殷琨,王如生; 受沖擊荷載作用土體變形的有限元研究 [J];巖土力學(xué); 2004年12期</p><p>　　Tom Lunne and Michael Long; Review of long seabed samplers and criteria for new sampler design [M];Marine Geology; 2006年</p>

21、<p>　　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</p><p>　　Skin

22、ner ,L.C,and McCave ,I . N; Analysis and modeling of gravity-and piston coring based on soil mechan-ics [M];Marine Geology,; 2003年</p><p>　　Pan J L, Selby A R; Simulation of dynamic compaction of loose granu

23、lar soils [M];Engineering Software; 2002年</p><p>　　Wu X J, Rong Y, Yin K; Research on Hydro-percussion seabed sampler [M];Journal of Tongji University (Natural Science); 2005年</p><p>　　Neale J L

24、,, Walker D; Sampling sediment under warm deep water [M];Quatemary Science Review; 1996年</p><p>　　Liu T, Yang F P; Major in Ansys [M];; 2002年</p><p>　　Kristoffersen Y, Lien E, Festervoll K, et a