【摘要】：與發(fā)達國家相比，我國對大陸架及深海水域海底沉積物的研究還不深入，這與我國海底勘探的手段單一、海底取樣設備落后有很大的關系。因此，研究和開發(fā)功能強大、操作方便的海底取樣器，是我國新一輪海底資源大調(diào)查、海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究和海洋環(huán)境研究急需解決的課題。重力活塞取樣器是采取海底松散沉積物柱狀長芯樣品常用的采樣器具之一。本文在對重力活塞取樣器工作原理和取樣深度影響因素進行分析研究的基礎上，利用現(xiàn)有的取樣長度為20m的重力活塞取樣器進行實驗驗證，借助有限元分析，設計出取樣長度達到40m的重力活塞取樣器。 論文首先對重力活塞取樣器貫入沉積物的過程及其影響因素進行分析，推導出了取樣器貫入深度l的理論計算公式。得到取樣器的貫入深度l是其本身質(zhì)量m，重力加速度g，沉積物的極限應摩擦系數(shù)，樣管周長c，最大截面直徑D的函數(shù)。海底沉積物的極限應摩擦系數(shù)對取樣器的貫入深度l有較大的影響。 其次，進行了重力活塞取樣器貫入過程的實驗驗證。利用國家海洋局第一海洋研究所進行的20m重力活塞取樣器深海沉積物取樣實驗所獲得的實驗數(shù)據(jù)對推導的取樣器貫入深度計算公式進行了驗證。 然后，進行了重力活塞取樣器貫入過程的有限元仿真。從有限元分析結(jié)果可以看出，在取樣管貫入沉積物的過程中，周圍沉積物并沒有受到大的擾動。從沉積物的應力分布圖可知，在取樣管貫入沉積物的過程中，最大應力出現(xiàn)在取樣管下端與沉積物接觸的區(qū)域。在這個區(qū)域會形成一個彗尾狀的高應力區(qū)，從這個高應力區(qū)往外，應力逐漸減小。在取樣管貫入過程中，取樣管下端的彗尾狀高應力區(qū)向下擴展。在這個高應力區(qū)內(nèi)，一部分沉積物進入取樣管內(nèi)成為獲取的沉積物樣品，剩余的沉積物沿彗尾方向向外流動，影響周圍沉積物的應力分布。在取樣管與沉積物的接觸面之外一定距離形成一個圓筒形的較高應力區(qū)，這是取樣管下端彗尾狀高應力區(qū)的延續(xù)。將有限元分析的結(jié)果、理論計算的結(jié)果及實驗數(shù)據(jù)進行比較，驗證了有限元模型及理論分析的正確性，為40m重力活塞取樣器的設計提供依據(jù)。 再次，進行了重力活塞取樣器壓桿穩(wěn)定校核。取樣管在貫入沉積物的過程中，貫入阻力主要是取樣管外壁與海底沉積物之間的摩擦力。根據(jù)理論計算得到的20m重力活塞取樣器的失穩(wěn)臨界載荷及貫入過程中所受的阻力對實驗中使用的20m重力活塞取樣器的取樣管進行了壓桿穩(wěn)定校核，為40m重力活塞取樣器的取樣管設計提供了依據(jù)。 最后，對40m重力活塞取樣器的取樣管、配重、活塞機構(gòu)、杠桿機構(gòu)、鋼纜卡具進行了設計及必要的校核。通過ABAQUS有限元軟件對取樣管屈曲分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)取樣管第1階屈曲模態(tài)特征值Ft1大于壓桿穩(wěn)定校核得到的失穩(wěn)臨界載荷Fcr。這是因為，失穩(wěn)臨界載荷Fcr是指當取樣管在外載荷作用下由直線平衡狀態(tài)變?yōu)榍�平衡狀態(tài)時的臨界載荷。而屈曲分析中第1階特征值Ft1是指取樣管進入曲線平衡狀態(tài)并達到第1階屈曲模態(tài)時的外載荷。壓桿穩(wěn)定分析中假定結(jié)構(gòu)由直線平衡狀態(tài)變?yōu)榍�平衡狀態(tài)時將失去承載能力，通過取樣管屈曲分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)實際的情況并不是這樣的，結(jié)構(gòu)在曲線平衡狀態(tài)時仍有一定的承載能力。即取樣管在載荷作用下，當端部載荷達到失穩(wěn)臨界載荷Fcr時，取樣管將由直線平衡狀態(tài)變?yōu)榍�平衡狀態(tài)，這時如果載荷繼續(xù)增加，取樣管將在曲線平衡狀態(tài)下承受端部載荷，當載荷增大到Ft1時，取樣管達到第1階屈曲模態(tài)。管接頭的存在使取樣管各階屈曲特征值明顯增大，同時管接頭的加強（管接頭壁厚或長度增加）也會使取樣管各階屈曲特征值增大。
【學位授予單位】：青島理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TH766.7
【圖文】：

青 島 理 工 大 學 工 學 碩 士 學 位 論 文3圖1-1 重力活塞取樣器組成圖Figure 1-1 composition of the gravity piston corer1.3 取樣作業(yè)的技術(shù)關鍵各種類型的取樣器工作過程基本相同，因為取樣器體積較大，存放時一般需要拆分開，以部件的形式存放。取樣作業(yè)時，首先在甲板上對取樣器進行組裝，然后讓考察船處于漂泊狀態(tài)，開啟門吊和絞車，掛上取樣器，門吊吊臂探出船外，操縱絞車，施放鋼纜將取樣器放置海底，待取樣器貫入海底后，回收鋼纜，收回取樣器，得到樣品。取樣過程遇到的幾個關鍵技術(shù)如下：（1）海流對取樣作業(yè)的影響海流分為表層海流和中層海流，在接近海底的一定深度范圍內(nèi)，海流很小或近似為零。而海流對取樣作業(yè)的影響主要發(fā)生在取樣器觸底之后，因此海流對取樣器本身影響不大

力活塞取樣器貫入過程進行了實驗驗證。首先對重力室內(nèi)模擬實驗，重點是對重力活塞取樣器的工作過程然后利用國家海洋局第一海洋研究所進行的 20m 重力實驗所獲得的實驗數(shù)據(jù)對推導的取樣器貫入深度理論貫入過程的室內(nèi)模擬實驗活塞取樣器一般在遠洋深海使用，深海沉積物的獲取動，實驗周期長、難度大、費用高。因此設計 40m 重行的實地取樣試驗是依托國家海洋局第一海洋研究所樣器的工作過程及取樣原理有直觀的認識，按比例縮模型。配置了飽和水黏土來模擬海底沉積物。模擬重行了室內(nèi)貫入實驗。制作的取樣器模型如圖 3-1 所示。

（c）取樣器貫入黏土中 （d）回收取樣器圖 3-2 室內(nèi)模擬實驗過程Figure 3-2 process of indoor simulate experiment室內(nèi)模擬實驗得到的數(shù)據(jù)如表 3-1 所示。表 3-1 室內(nèi)模擬實驗數(shù)據(jù)Table 3-1 data of indoor simulate experiment配重質(zhì)量(kg) 釋放高度(m) 貫入深度(mm) 末速度（m/s）鋼制取樣管外徑 34mm，內(nèi)徑 28.5mm，長 212mm3.496 400 92 2.83.496 600 107 3.429285643.496 800 112 3.959797975

【參考文獻】

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本文編號：2746768