文澤軍　劉　湛,　金永平　田續(xù)玲　黃良沛

1.湖南科技大學(xué)機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭,411201 2.湖南科技大學(xué)海洋礦產(chǎn)資源探采裝備技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湘潭,411201 3.中南大學(xué)，長沙，410083

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深海重力活塞取樣器取樣系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)建模與分析

文澤軍1劉湛1,2金永平3田續(xù)玲2黃良沛1

1.湖南科技大學(xué)機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭,411201 2.湖南科技大學(xué)海洋礦產(chǎn)資源探采裝備技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湘潭,411201 3.中南大學(xué)，長沙，410083

首先以深海重力活塞取樣器為研究對象，深入分析重力活塞取樣器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與沖擊取樣工作原理；同時(shí)考慮海底特殊的取樣環(huán)境與底質(zhì)特性，應(yīng)用波動(dòng)力學(xué)理論，構(gòu)建重力活塞取樣器取樣系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)模型。隨后對取樣系統(tǒng)進(jìn)行離散化處理，依據(jù)該模型研究重力活塞取樣器取樣系統(tǒng)沖擊取樣過程的數(shù)值計(jì)算方法。最后以沖擊取樣效率與貫入深度為性能指標(biāo)，分析取樣器配重、沖擊高度及取樣管直徑對重力活塞取樣器沖擊取樣性能的影響，同時(shí)對沖擊部件內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行分析，研究結(jié)論對重力活塞取樣器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有一定指導(dǎo)意義。

重力活塞取樣器；海底底質(zhì)；波動(dòng)力學(xué)；數(shù)值模擬

0　引言

深海重力活塞取樣器是在自重作用下沖擊海底淤泥質(zhì)與軟土質(zhì)底質(zhì)進(jìn)行取樣的一種常用設(shè)備。其工作原理是利用重錘觸發(fā)平衡桿，使夾纜釋放裝置在距海底表層一定高度時(shí)釋放取樣器，在重力作用下沖擊并貫入海底底質(zhì)中。在貫入過程中，取樣管中活塞隔開靜水壓力形成負(fù)壓抽吸底質(zhì)，并減少樣品擾動(dòng)。取樣結(jié)束，利用鋼纜提拉活塞將整個(gè)重力活塞取樣器提起，完成取樣過程。

Skinner等[1]基于土力學(xué)對重力活塞取樣器的貫入取樣進(jìn)行了分析與建模，并對管土相互作用、巖芯擾動(dòng)等進(jìn)行了詳細(xì)研究。Xu等[2]從能量的角度對重力活塞取樣器的貫入過程及貫入深度的影響因素進(jìn)行了分析，并假設(shè)貫入阻力主要為管壁與底質(zhì)間的摩擦力，建立了取樣器貫入深度理論模型。Lunne等[3]對重力活塞取樣器在取樣時(shí)造成樣品擾動(dòng)的原因進(jìn)行了分析，給出了相應(yīng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以提高巖芯質(zhì)量。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，Renberg等[4]研制了一種帶三腳架的活塞取樣器，這種取樣器可獲取長達(dá)1 m且無擾動(dòng)的底質(zhì)。根據(jù)重力活塞取樣器沖擊取樣的工作原理，對其沖擊系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析尤為重要。文獻(xiàn)[5-6]結(jié)合沖擊機(jī)械系統(tǒng)工作原理，提出了撞擊鑿入系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法，并分析了沖擊鑿入效率的波動(dòng)理論和鑿入時(shí)應(yīng)力波的能量。劉德順等[7-8]提出了一種構(gòu)造沖擊機(jī)械系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)模型的方法，并根據(jù)沖擊機(jī)械系統(tǒng)力學(xué)模型中所包含的獨(dú)立彈性桿的件數(shù)將沖擊機(jī)械系統(tǒng)分為一元、二元和三元沖擊系統(tǒng)。Lundberg等[9]給出了入射應(yīng)力波通過接頭后的透射波，分析了具有接頭的沖擊系統(tǒng)的能量傳遞效率。當(dāng)前圍繞重力活塞取樣器進(jìn)行的研究主要集中在應(yīng)用靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和剛體動(dòng)力學(xué)去闡述其工作原理，或是集中分析巖芯應(yīng)力變化及巖芯變形，而應(yīng)用沖擊系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法來分析重力活塞取樣器沖擊取樣的研究未見報(bào)道。事實(shí)上，重力活塞取樣器通過沖擊海底底質(zhì)進(jìn)行取樣，宜用沖擊動(dòng)力學(xué)方法將其作為沖擊機(jī)械用沖擊動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行研究。

本文應(yīng)用波動(dòng)力學(xué)理論，深入分析重力活塞取樣器沖擊取樣系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性以及沖擊參數(shù)對取樣性能的影響規(guī)律，為重力活塞取樣器的結(jié)構(gòu)與沖擊參數(shù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)沖擊取樣作業(yè)中對長巖芯、深層海底底質(zhì)的獲取，提高重力活塞取樣器沖擊取樣性能。

1　取樣器沖擊系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)建模

1.1沖擊系統(tǒng)建模

分析重力活塞取樣器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及取樣工作原理，將取樣管、管接頭、刀頭抽象為既具有彈性又具有質(zhì)量的彈性桿，如圖1所示?；诓▌?dòng)力學(xué)理論，建立重力活塞取樣器沖擊取樣為以彈性桿為基本元件的一元沖擊系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)模型。

圖1　彈性桿單元

重力活塞取樣器中，取樣管軸向尺寸遠(yuǎn)大于橫向尺寸，因此，在沖擊取樣時(shí)，忽略其橫向運(yùn)動(dòng)，假定當(dāng)應(yīng)力波通過取樣管時(shí)，取樣管橫截面仍保持為平面，截面上的應(yīng)力分布是均勻的。即彈性桿中任一點(diǎn)的位移均滿足一維波動(dòng)方程：

(1)

式中，u為彈性桿中截面的位移；c為彈性桿材料的縱波波速，鋼的縱波波速為5130m/s。

基于波動(dòng)力學(xué)理論構(gòu)建沖擊取樣系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，將取樣管抽象為彈性桿，整個(gè)沖擊系統(tǒng)即為以彈性桿為基本元件的一元沖擊系統(tǒng)，沖擊工作介質(zhì)海底底質(zhì)，進(jìn)行取樣工作。

1.2工作介質(zhì)建模

重力活塞取樣器一般用于采取海底軟泥，其工作介質(zhì)(軟泥黏土、砂質(zhì)軟泥黏土等)的動(dòng)力學(xué)特性對整個(gè)沖擊取樣系統(tǒng)有著重要影響。主要表現(xiàn)如下：一方面因?yàn)闆_擊機(jī)械的作用是使工作介質(zhì)變形與破壞，在工作端的位移以及對工作介質(zhì)所做的功表征了沖擊機(jī)械系統(tǒng)的性能與效率；另一方面，作為波動(dòng)方程的邊界條件，必須用它來求解沖擊系統(tǒng)工作端位移以及沖擊部件中的應(yīng)力波。實(shí)際上，對于海底軟泥黏土等弱彈性物質(zhì)，可忽略其彈性影響，將工作介質(zhì)簡化為塑性模型。由于取樣器不斷貫入取樣，底質(zhì)將對取樣器產(chǎn)生摩阻力，且在貫入過程中，取樣器所受阻力主要為底質(zhì)與取樣管外壁間摩阻力。工作介質(zhì)的貫入力與貫入深度關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2　工作介質(zhì)貫入力與貫入深度關(guān)系曲線

考慮底質(zhì)與取樣管外壁間摩阻力，并假設(shè)其集中作用在取樣管底端，海底底質(zhì)力學(xué)模型可表示為

F=τglu+Fp

(2)

式中，F(xiàn)為貫入力；τ為海底底質(zhì)極限應(yīng)力摩擦系數(shù)(對于軟泥黏土，τ取0.05～0.15kg/cm2)；l為取樣管圓周長；Fp為海底底質(zhì)的塑性極限阻力。

1.3取樣器沖擊取樣性能

為了評估重力活塞取樣器沖擊取樣系統(tǒng)的性能，定義沖擊取樣貫入深度為沖擊系統(tǒng)工作端最大位移量umax；定義沖擊取樣效率η為沖擊取樣系統(tǒng)對工作介質(zhì)所做的功和取樣器初始動(dòng)能與勢能之和的比值，其標(biāo)志著能量從沖擊機(jī)械系統(tǒng)傳遞到工作介質(zhì)中的效率，即

(3)

式中，mh為取樣器質(zhì)量；v0為取樣器初始速度。

2　取樣器沖擊系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算方法

2.1離散化

彈性桿中縱波波速為c，設(shè)時(shí)間步長為Δt，空間步長則為Δx=cΔt。將重力活塞取樣器沖擊系統(tǒng)中彈性桿沿軸向離散成若干等長度單元，使離散單元各界面與分段線相重合，并分別按順序給分段線、界面編號，界面所在單元亦相應(yīng)進(jìn)行編號。圖3為取樣器沖擊系統(tǒng)離散示意圖。

圖3　沖擊系統(tǒng)離散化

應(yīng)用行波法求解波動(dòng)方程時(shí)，假設(shè)在取樣管各離散單元中同時(shí)存在相向而行的順波與逆波，且單元界面上的合力及合速度與該界面上的順波和逆波受力的關(guān)系為

(4)

其中，Pi,j、Qi,j、Fi,j、vi,j分別表示單元位置為i、計(jì)算步數(shù)為j時(shí)單元界面上的順波受力、逆波受力、合力及合速度；Zi為取樣管各離散單元的波阻。

2.2初始狀態(tài)

重力活塞取樣器在貫入取樣前通過自由下落獲得沖擊初速度v0，考慮下落過程中海水浮力的影響，由能量定理得

(5)

式中，h為沖擊高度；ρ為海水密度；u∞為勢流速度；A為取樣器最大截面積；CD為取樣器阻力系數(shù)；f為取樣器所受浮力。

根據(jù)等效撞擊原理，取樣管各離散單元中存在著初值分別為Pi,1、Qi,1的順波與逆波：

(6)

2.3應(yīng)力波傳播

應(yīng)力波在彈性桿中的傳播包括兩個(gè)方面：在彈性桿中勻截面部分的傳播與變截面的傳播，如圖4所示。

圖4　應(yīng)力波的傳播

當(dāng)應(yīng)力波在勻截面部分中傳播時(shí)，彈性桿中順波、逆波有如下關(guān)系：

(7)

當(dāng)應(yīng)力波在變截面?zhèn)鞑r(shí)，應(yīng)力波將發(fā)生透射與反射。當(dāng)應(yīng)力波在彈性桿中從波阻為Zk的桿單元傳播至波阻為Zk+1的桿單元時(shí)，其透射、反射系數(shù)分別為

(8)

式中，μ、λ 分別為透射系數(shù)與反射系數(shù)；Ak、Ak+1分別為截面位置為k和k+1處界面的截面積。

由透射和反射關(guān)系可得

(9)

因此，當(dāng)應(yīng)力波通過變截面時(shí)，變截面上所受的作用力與速度分別為

(10)

時(shí)，Pi,j、Qi,j表示通過變截面后形成的順波與逆波受力；Pi-1,j-1、Qi+1,j-1分別表示到達(dá)變截面的順波及逆波受力。

2.4取樣管頂端

取樣管在貫入取樣過程中，頂部主要承受配重鉛塊等施加在取樣管上的壓力(重力)。因此，在沖擊系統(tǒng)中，取樣管的頂部端面始終受有一個(gè)壓力的作用，假設(shè)配重質(zhì)量為m，于是有

F1,j=G=mg

(11)

在樣管頂部界面在F1,j的作用下，由應(yīng)力波的傳播關(guān)系得到離開樣管頂部界面向取樣管下端傳播的順波受力：

P1,j=F1,j-Q1,j

(12)

式中，Q1,j為到達(dá)樣管端部界面的逆波受力。

2.5工作端

工作端即沖擊取樣系統(tǒng)沖擊海底底質(zhì)的界面，對其編號為N。在取樣管沖擊海底底質(zhì)時(shí)，將會在取樣管中產(chǎn)生沿軸線從工作界面向上傳播的逆波，逆波在取樣管頂端界面反射回來成為入射波傳播至工作界面，時(shí)間為2L/c。到達(dá)工作界面的入射波在界面發(fā)生透反射，一部分入射波透射進(jìn)入海底底質(zhì)使其破壞，另一部分入射波在界面反射，繼續(xù)在取樣管中傳播。在工作時(shí)，由撞擊引起的應(yīng)力波以及入射波在工作界面形成的反射波的形狀與幅值取決于工作介質(zhì)的性質(zhì)。

根據(jù)工作介質(zhì)的性質(zhì)，貫入力FN,j與貫入深度uN,j的關(guān)系為

FN,j=τgluN,j+Fp

(13)

(14)

工作端界面的速度VN,j可通過下式求得：

(15)

(16)

因此

(17)

根據(jù)上一時(shí)刻的貫入力FN,j-1以及本時(shí)刻到達(dá)工作界面的入射波PN,j，可求得本時(shí)刻的反射波QN,j：

(18)

根據(jù)應(yīng)力波疊加關(guān)系，利用工作界面的入射波PN,j以及求得的反射波QN,j，即可得到本時(shí)刻工作端的貫入力FN,j：

FN,j=PN,j+QN,j

(19)

在取樣器沖擊海底底質(zhì)時(shí)，取樣管中產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波在取樣管中的傳播使得取樣管貫入海底底質(zhì)進(jìn)行取樣。

3　取樣器沖擊系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)的波動(dòng)力學(xué)分析

重力活塞取樣器在工作中，配套的取樣管、管接頭及刀頭緊密連接，且均為鋼制材料，在模型中將其視為整體。本文研究的重力活塞取樣器取樣管長度L為30 m，內(nèi)徑di為100 mm，外徑d0為127 mm。在模擬重力活塞取樣器沖擊取樣時(shí)，選取時(shí)間步長為20 μs，將沖擊系統(tǒng)離散成N=300個(gè)單元。彈性桿材料縱波波速c=5130 m/s，密度ρ=7830 kg/m3；工作介質(zhì)為淤泥質(zhì)軟黏土，將其作為塑性模型處理，考慮到貫入時(shí)底質(zhì)與取樣管間的摩擦力(取τ=0.08 kg/cm2)，為簡便計(jì)，令X=EA/(3200Cd)，X為貫入時(shí)的無因次量。沖擊速度v0=3.3 m/s，初始間隙設(shè)定為0。

3.1取樣器配重的影響分析

重力活塞取樣器的取樣深度在一定程度上依靠于配重的設(shè)置。為了研究重力活塞取樣器在不同配重下沖擊取樣時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性，當(dāng)沖擊高度h=1 m時(shí)，設(shè)置配重m為1400～2000 kg，得出取樣器配重對于沖擊取樣性能的影響規(guī)律。

重力活塞取樣器在不同配重m下的貫入深度如圖5所示。由圖5可知，隨配重的增大，貫入深度增加6.25 m，配重為2000 kg時(shí)，貫入深度達(dá)到29.69 m，在此條件下，配重不需繼續(xù)增加。這表明隨著配重的增大，取樣管頂部所受壓力增大，提供的能量相應(yīng)增加，因此，貫入深度隨配重的增大而呈現(xiàn)顯著增大的趨勢。

圖5　配重對貫入深度的影響

分析不同配重m下的沖擊取樣效率可知，取樣器沖擊取樣效率隨配重的增大呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢。這是因?yàn)榕渲卦龃?，取樣器對海底底質(zhì)做的功相應(yīng)增大，沖擊取樣效率上升。不同配重m下的沖擊取樣效率如圖6所示。

圖6　配重對沖擊取樣效率的影響

3組不同配重下的最大應(yīng)力分布見圖7。圖7a、圖7b所示分別為各截面最大壓、拉應(yīng)力，其中橫坐標(biāo)0～300 mm為沖擊系統(tǒng)離散截面位置，圖中壓應(yīng)力符號為正，拉應(yīng)力符號為負(fù)。模擬結(jié)果表明，隨著配重的增加，取樣管內(nèi)部各個(gè)截面處最大壓、拉應(yīng)力均有所增大。由圖7可看出，配重對取樣管內(nèi)部最大壓應(yīng)力的影響較之最大拉應(yīng)力要大。分析可知，貫入力隨配重的增加而增大，迫使取樣管貫入底質(zhì)中，因此，取樣管內(nèi)的入射應(yīng)力波必然增大。同時(shí)，圖7中出現(xiàn)4個(gè)應(yīng)力突變處是因?yàn)樵谠撐恢么嬖诠芙宇^。

(a)最大壓應(yīng)力

(b)最大拉應(yīng)力圖7　配重對取樣管應(yīng)力的影響

根據(jù)取樣器配重變化對取樣性能及取樣管內(nèi)部應(yīng)力的影響分析，配重變化對取樣管內(nèi)應(yīng)力的影響并不顯著，而對貫入深度的影響較大，配重增大時(shí)，貫入深度及取樣效率均增大，因此，可選取稍大配重?？紤]到30 m重力活塞取樣器最大貫入深度為30 m，因此，在此條件下配重選擇2000 kg即可滿足取樣要求。

3.2沖擊高度的影響分析

沖擊高度影響取樣器沖擊海底底質(zhì)的初始速度，當(dāng)配重m為1800 kg時(shí)，設(shè)置6組沖擊高度h，得出沖擊高度對于沖擊取樣的影響。進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，刀頭與沉積物做零間隙處理，根據(jù)式(5)將6組不同沖擊高度換算為沖擊初速度進(jìn)行計(jì)算，見表1。

表1　不同沖擊高度參數(shù)

沖擊高度h為0.5～3.0 m時(shí)沖擊取樣的貫入深度如圖8所示。從圖8可知，沖擊高度增大，貫入深度隨之依次增大，這是由于取樣器的能量來源于取樣器自身重力做功，取樣器的動(dòng)能相對于重力勢能較小，故通過增大沖擊高度獲得更大動(dòng)能對貫入深度的影響也會相對較小。但在實(shí)際應(yīng)用中，增大沖擊高度對于增大貫入深度是有利的。

圖8　沖擊高度對貫入深度的影響

根據(jù)圖9分析不同沖擊高度h下的沖擊取樣效率可知，沖擊取樣效率隨沖擊高度的增大呈現(xiàn)下降趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于沖擊高度增大時(shí)，海水阻力對取樣器所做負(fù)功同樣增大，加大了取樣器能量的消耗，故出現(xiàn)取樣效率下降的趨勢。

圖9　沖擊高度對沖擊取樣效率的影響

根據(jù)模擬結(jié)果可知，隨著沖擊高度增加，取樣管內(nèi)部各截面處最大壓應(yīng)力隨之增大，而最大拉應(yīng)力卻隨之減小，但影響均不明顯。分析可知，沖擊高度增大時(shí)，取樣器重力勢能增大，提供沖擊取樣能量相應(yīng)增大。沖擊高度增大對于取樣管內(nèi)應(yīng)力影響較小，因此，從應(yīng)力角度考慮，可增大沖擊高度進(jìn)行沖擊取樣工作。由于沖擊高度的變化對取樣管內(nèi)應(yīng)力幾乎無影響，且沖擊高度對沖擊取樣效率影響較小，而貫入深度隨著沖擊高度的增大而增加，故可通過增大沖擊高度來提高重力活塞取樣器的取樣性能，滿足取樣要求。

3.3取樣管直徑的影響分析

在沖擊取樣系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)模型中，設(shè)置配重m為1800 kg，沖擊高度h為1 m，改變?nèi)庸芡鈴絛0，分析取樣管直徑對取樣器性能的影響。

取樣器在不同取樣管直徑下沖擊取樣的貫入深度如圖10所示。由圖10可知，隨著取樣管直徑的增大，貫入深度下降5.33 m。這表明隨著取樣管直徑增大，取樣管所受摩阻力也增大，因此，貫入深度隨著取樣管直徑增大而呈現(xiàn)顯著下降趨勢。

圖10　取樣管直徑對貫入深度的影響

由圖11分析不同取樣管直徑下的沖擊取樣效率可知，取樣管直徑的增大對取樣效率的影響較小。取樣效率隨取樣管直徑的增大呈先增后減的趨勢，取樣管直徑為131 mm時(shí)取樣效率最大。這是因?yàn)楫?dāng)取樣管直徑較小時(shí)，貫入深度較大，因此刀頭內(nèi)壁與底質(zhì)之間的摩擦阻力消耗的能量比貫入深度較小時(shí)多，而取樣管直徑較大時(shí)，由于端阻力的增大，也將產(chǎn)生額外的能量消耗。

圖11　取樣管直徑對沖擊取樣效率的影響

模擬結(jié)果表明，隨著取樣管直徑的增大，取樣管內(nèi)各截面處最大應(yīng)力隨之減小。其中3組不同取樣管直徑下的最大應(yīng)力分布見圖12。由圖12可知，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)于前端第一段取樣管靠近管接頭處，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)于取樣管前端接近刀頭部位。取樣管前后端處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在管接頭處，最大應(yīng)力明顯減小。分析可知，在截面積突變處最大壓、拉應(yīng)力都出現(xiàn)較大波動(dòng)。由于前段兩節(jié)取樣管最大應(yīng)力較高于其他部位，在實(shí)際工作中，重力活塞取樣器沖擊取樣時(shí)取樣管受到附加集中彎曲應(yīng)力的作用，故可能引起取樣管的彎曲失效。

(a)最大壓應(yīng)力

(b)最大拉應(yīng)力圖12　取樣管直徑對取樣管應(yīng)力的影響

根據(jù)對取樣性能及取樣管內(nèi)部應(yīng)力的影響分析，當(dāng)取樣管直徑為125～140 mm時(shí)，鋼制取樣管滿足沖擊取樣強(qiáng)度要求，沖擊取樣效率變化趨勢不明顯，而取樣管直徑越小，貫入深度越大。在此條件下，取樣管直徑不宜過大，可通過適當(dāng)減小取樣管直徑來提高取樣性能。

4　結(jié)語

(1)本文建立了以彈性桿為基本元件的重力活塞取樣器沖擊取樣系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)模型?；谕阜瓷潢P(guān)系法，提出了重力活塞取樣器沖擊系統(tǒng)沖擊取樣的波動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析方法。

(2)應(yīng)用重力活塞取樣器沖擊系統(tǒng)數(shù)值模擬程序，分析取樣器結(jié)構(gòu)參數(shù)與沖擊參數(shù)對沖擊取樣性能的影響以及沖擊系統(tǒng)中取樣管內(nèi)部應(yīng)力的變化情況，為重力活塞取樣器在結(jié)構(gòu)參數(shù)與沖擊參數(shù)的選擇與設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

(3)在取樣器配重、沖擊高度及取樣管直徑中，取樣器配重與取樣管直徑對貫入深度及沖擊部件內(nèi)部應(yīng)力影響較大，三者對沖擊取樣效率均影響較小。為提高重力活塞取樣器取樣性能，在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中，應(yīng)優(yōu)先考慮取樣器配重，其次考慮取樣管直徑，最后考慮沖擊高度。

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(編輯陳勇)

Modeling and Analysis for Sampling System of Deep-sea Gravity Piston Sampler Based on Wave Mechanics

Wen Zejun1Liu Zhan1,2Jin Yongping3Tian Xuling2Huang Liangpei1

1.Hunan Provincial Key Laboratory of Health Maintenance for Mechanical Equipment,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan，Hunan，411201 2.Hunan Provincial Engineering Laboratory of Equipment and Technology for Marine Mineral Resources Exploration,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan, Hunan， 411201 3.Central South University, Changsha, 410083

The working principles and structure characteristics of gravity piston sampler were deeply analyzed herein, the mechanics characteristics of seabed sediments was considered, based on the theory of wave mechanics, the sampling system involving a single rod wave mechanics model was established. Then, the sampling system was carried out the discrete treatments, and the numerical calculation method of the impact sampling process of impact sampling system was researched. Finally, based on the numerical simulation program, the influences of sampler weight stand, impact height, and sampler pipe diameter on the impact sampling performance for gravity piston sampler were analysed, and the impact parts internal stress was also analyzed. The conclusions has important guiding significance to the design and optimization of gravity piston samplers.

gravity piston sampler; seabed sediment; wave mechanics; numerical simulation

2015-10-12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075141)

P756.5

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.17.002