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

優(yōu)化設(shè)計和有限元分析的核心機(jī) 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(fù)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(fù)有明顯的影響。此外， 采樣器 的 滲透率 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(shè)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(fù)率分別為 68 和 83.3 。 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(shè)計 1 介紹 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(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。 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(shè)計的理論研究已經(jīng)進(jìn)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(fù)。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(yīng) 用得到 了 結(jié)果。 2 有限元模型 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。 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(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 。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 Contact171 可在 Ansys9.0 元件庫中找到，他們都使用默認(rèn)值 。 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(yīng)力 剪應(yīng)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(yīng)力 ，從等效（平衡） 剪應(yīng)力 開始，表面的滑動開始作為摩擦接觸壓力。當(dāng)超過切變應(yīng)力，這兩個表面會產(chǎn)生相對滑動。 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。 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(xì)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。假設(shè) 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。 通過實驗獲得的 液動潛孔錘采樣器 大約為近 100J，相當(dāng)于質(zhì)量為 35kg 下降30cm 的動能。平均沖擊力是通過能量守恒定律和沖量守恒定律計算。m 是 錘 的質(zhì)量， h 高度， v 是 錘 最后的速度， F 是沖力， t 是常數(shù)時間（當(dāng)前使用29ms）。 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(xiàn)，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。 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(yīng)力狀態(tài)。 3 結(jié)果與討論 3.1 尖端 形狀的影響 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?滲透率 是 吊籃 和端點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(fù) 與 核心刀 的形狀密切相關(guān)。 在我們的試驗中，對四種不同類型的 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 滲透率 和 核心修復(fù) 的影響。 尖端 形狀如圖 Fig.3 所示。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，表現(xiàn)為對土壤的垂直壓力，這會導(dǎo)致樣本的壓縮。圖 4b 顯示樣本壓縮和時間的關(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 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。 3.2 核心刀 壁厚的影響 保持 刀具 1 外徑為 129mm，分析內(nèi)徑分別為： 51， 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(yīng)對彎曲。對于陸上任務(wù)， 刀具 壁厚通常采用 15mm 到 20mm，我的設(shè)計使用 19 毫米。 3.3 尖端 角度的影響 保 持 刀具 1 外徑 129mm，內(nèi)徑 91mm，改變 刀具 邊緣角的值，研究不同邊緣角的影響。圖 Fig.6 顯示仿真結(jié)果。 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?。?，穿透過程中刀具可能損壞。我們設(shè)計的邊緣角度是 15。 3.4 應(yīng)力分布輪廓圖 Fig.7 顯示了采樣器深度 0.2 米時計算得到的應(yīng)力輪廓圖。 尖端 附近徑向應(yīng)力的最大值約 273 千帕， 應(yīng)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)力從一個高的壓應(yīng)力迅速下降到一個較低值。 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，采樣器附近有一個小的范圍，切變應(yīng)力可以壓縮。 4 實驗 采樣器 液動潛孔錘采樣器 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(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。 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(fù) 是 75cm?？偟?滲透率 率約為 15.4m/h， 核心修復(fù) 率為83.3。 5 結(jié)論 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 。 （ 1）結(jié)果表明， 尖端 形狀對 滲透率 和 核心修復(fù) 有重要影響?？紤]四種類型 核心刀 ， 刀具 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折中。 （ 2）研究土壤中的應(yīng) 力分布對 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。 （ 3） 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(fù)率分別為 68 和 83.3 。 參考文獻(xiàn) 1. 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 海底取樣技術(shù)介紹之一 J；地 質(zhì)科技情報 ； 2000 年 02 期 2. 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(shè)想 J；地質(zhì)與勘探 ； 2003 年 02 期 3. 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 4. 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