【摘要】：與發(fā)達(dá)國家相比，我國對(duì)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(shè)備落后有很大的關(guān)系。因此，研究和開發(fā)功能強(qiáng)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(duì)重力活塞取樣器工作原理和取樣深度影響因素進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有的取樣長度為20m的重力活塞取樣器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，借助有限元分析，設(shè)計(jì)出取樣長度達(dá)到40m的重力活塞取樣器。 論文首先對(duì)重力活塞取樣器貫入沉積物的過程及其影響因素進(jìn)行分析，推導(dǎo)出了取樣器貫入深度l的理論計(jì)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(yīng)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(yīng)摩擦系數(shù)對(duì)取樣器的貫入深度l有較大的影響。 其次，進(jìn)行了重力活塞取樣器貫入過程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。利用國家海洋局第一海洋研究所進(jìn)行的20m重力活塞取樣器深海沉積物取樣實(shí)驗(yàn)所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)推導(dǎo)的取樣器貫入深度計(jì)算公式進(jìn)行了驗(yàn)證。 然后，進(jìn)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(dòng)。從沉積物的應(yīng)力分布圖可知，在取樣管貫入沉積物的過程中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在取樣管下端與沉積物接觸的區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域會(huì)形成一個(gè)彗尾狀的高應(yīng)力區(qū)，從這個(gè)高應(yīng)力區(qū)往外，應(yīng)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(yīng)力區(qū)向下擴(kuò)展。在這個(gè)高應(yīng)力區(qū)內(nèi)，一部分沉積物進(jìn)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(dòng)，影響周圍沉積物的應(yīng)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(gè)圓筒形的較高應(yīng)力區(qū)，這是取樣管下端彗尾狀高應(yīng)力區(qū)的延續(xù)。將有限元分析的結(jié)果、理論計(jì)算的結(jié)果及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)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(shè)計(jì)提供依據(jù)。 再次，進(jìn)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(jì)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(duì)實(shí)驗(yàn)中使用的20m重力活塞取樣器的取樣管進(jìn)行了壓桿穩(wěn)定校核，為40m重力活塞取樣器的取樣管設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 最后，對(duì)40m重力活塞取樣器的取樣管、配重、活塞機(jī)構(gòu)、杠桿機(jī)構(gòu)、鋼纜卡具進(jìn)行了設(shè)計(jì)及必要的校核。通過ABAQUS有限元軟件對(duì)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?yàn)�，失穩(wěn)臨界載荷Fcr是指當(dāng)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(shí)的臨界載荷。而屈曲分析中第1階特征值Ft1是指取樣管進(jìn)入曲線平衡狀態(tài)并達(dá)到第1階屈曲模態(tài)時(shí)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(shí)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(shí)際的情況并不是這樣的，結(jié)構(gòu)在曲線平衡狀態(tài)時(shí)仍有一定的承載能力。即取樣管在載荷作用下，當(dāng)端部載荷達(dá)到失穩(wěn)臨界載荷Fcr時(shí)，取樣管將由直線平衡狀態(tài)變?yōu)榍�平衡狀態(tài)，這時(shí)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(dāng)載荷增大到Ft1時(shí)，取樣管達(dá)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(shí)管接頭的加強(qiáng)（管接頭壁厚或長度增加）也會(huì)使取樣管各階屈曲特征值增大。
【學(xué)位授予單位】：青島理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TH766.7
【圖文】：

青 島 理 工 大 學(xué) 工 學(xué) 碩 士 學(xué) 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(guān)鍵各種類型的取樣器工作過程基本相同，因?yàn)槿悠黧w積較大，存放時(shí)一般需要拆分開，以部件的形式存放。取樣作業(yè)時(shí)，首先在甲板上對(duì)取樣器進(jìn)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(gè)關(guān)鍵技術(shù)如下：（1）海流對(duì)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(duì)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(duì)取樣器本身影響不大

力活塞取樣器貫入過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先對(duì)重力室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)是對(duì)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(jìn)行的 20m 重力實(shí)驗(yàn)所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)推導(dǎo)的取樣器貫入深度理論貫入過程的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)活塞取樣器一般在遠(yuǎn)洋深海使用，深海沉積物的獲取動(dòng)，實(shí)驗(yàn)周期長、難度大、費(fèi)用高。因此設(shè)計(jì) 40m 重行的實(shí)地取樣試驗(yàn)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(rèn)識(shí)，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(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)過程Figure 3-2 process of indoor simulate experiment室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如表 3-1 所示。表 3-1 室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)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(xiàn)】

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1 鄭志才;孫士祥;陳艷;王強(qiáng);章玉齋;;碳纖維復(fù)合材料薄壁管的制備及其軸向壓縮性能研究[J];工程塑料應(yīng)用;2008年04期

2 戴洪軍;任治軍;陳念軍;許崧;;基于土塞松弛效應(yīng)的PHC管樁承載力修正公式[J];電力勘測設(shè)計(jì);2008年01期

3 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(bào);2000年02期

4 補(bǔ)家武,鄢泰寧,付先成;非可控制式海底取樣器的結(jié)構(gòu)及工作原理——海底取樣技術(shù)介紹之二[J];地質(zhì)科技情報(bào);2000年03期

5 補(bǔ)家武,鄢泰寧,補(bǔ)生蓉;可控式海底取樣器的結(jié)構(gòu)及工作原理——海底取樣技術(shù)介紹之三[J];地質(zhì)科技情報(bào);2000年04期

6 補(bǔ)家武,鄢泰寧,陳漢中;浮球式海底取樣器的結(jié)構(gòu)及工作原理——海底取樣技術(shù)介紹之四[J];地質(zhì)科技情報(bào);2001年01期

7 鄢泰寧,補(bǔ)家武,陳漢中;海底取樣器的理論探討及參數(shù)計(jì)算——海底取樣技術(shù)介紹之五[J];地質(zhì)科技情報(bào);2001年02期

8 李琪;李嵩;費(fèi)康;;PHC管樁土塞效應(yīng)分析[J];水利與建筑工程學(xué)報(bào);2009年02期

9 蔣邦海,張若棋;動(dòng)態(tài)壓縮下一種碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料的各向異性力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究[J];復(fù)合材料學(xué)報(bào);2005年02期

10 錢鵬,葉列平,翁冠群;CFRP管軸心受力性能的試驗(yàn)研究[J];工業(yè)建筑;2004年04期

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7 李佳;近水面航行潛體若干水動(dòng)力的數(shù)值模擬[D];哈爾濱工程大學(xué);2007年

8 張金成;鋼管樁在大型油品碼頭中的應(yīng)用與研究[D];河海大學(xué);2007年

9 廖從榮;鋼管樁在地基加固工程中的研究與應(yīng)用[D];中南大學(xué);2006年

10 劉國輝;土塞對(duì)管樁單樁豎向承載力計(jì)算的影響[D];天津大學(xué);2007年

本文編號(hào)：2746768