|
' l) @2 J9 Q+ A& s7 K* L5 Q 随着社会的发展，人口膨胀与能源短缺给人类可持续发展带来严重困扰，为此人们纷纷将目光投入海洋。对海底沉积物进行取样分析是进行海洋地质调查的重要环节，相比于从海面直接钻探的大型钻探船，海底钻探采样机器人因其作业的灵活性和作业成本的低廉性，在海底岩土勘探中起着重要作用，是世界各海洋强国争相研制的重要技术装备。而钻探取芯机构系统是钻探机器人的核心骨架，是岩土取芯任务功能的核心执行单元。 . R3 R, g, B, @0 S/ @- T
针对海底沉积物采样探测需求，本文设计了一套用于提钻取芯式钻探机构系统，具体内容如下：
) ^6 c$ o4 _, }) k! B 1、提出了一套提钻取芯式机构系统设计方案。由于考虑到单钻杆取样深度受到钻杆长度限制，因此设计了多杆接卸式取样系统，这可以极大扩充钻进深度。同时也考虑到在水下进行钻杆的自动接卸及存储要求，设计了多钻杆存储及接卸机构系统。此外考虑到整个机构的重量及尺寸对钻探工作难度、可靠性及经济成本的影响，设计了钢丝绳倍程钻进机构。根据提钻取芯功能需求，对机构功能模块进行了划分，包括驱动机构、接卸存储机构和钻具三部分。对每一功能执行机构进行了多重方案设计，并进行了方案对比分析及优选。
3 h& v; M: J# ]8 [* P4 r ] 2、对机构的运动及力载特性进行了分析。根据所提出的机构优选构型，依据设计要求确定了整体结构尺寸及各功能实现机构尺寸，并利用Solid Works建模软件对各组成单元进行三维建模。根据建立的三维模型及功能需求，对各功能实现机构进行了运动及力载分析。为满足工作顺利可靠完成的要求，对各驱动构件进行了选型。 + q) P; V8 m" e; g! i
3、对钻探采样力载特性进行了有限元分析。根据建立的钻具三维模型，利用有限元分析方法，通过ABAQUS分析软件导入了钻具数模文件，并创建了海底沉积物模型，构建了钻具钻进海底沉积物的分析模型，通过进行赋予材料属性、设置分析步及划分网格等一系列操作后，对钻进过程中的应力、应变及能量变化进行了仿真分析。 , f! ~* g8 E8 I" d1 ?' V2 t" C. ^
4、对提钻取芯运动学进行了建模分析。根据各机构不同的功能特性及各机构间的动作序列需求，利用坐标变换方法，以钻杆从存储机构出发到回到存储机构为一完整的运动周期，对提钻取芯运动过程中的运动学进行了建模及分析，揭示了各实现机构间的协调运动机理，形成了运动序列，为实现采样工作提供了协调运动控制的方法。 1 ]9 M5 K% h% e9 P/ s* w& J) q
关键词：机构设计；钻探机器人；仿真分析；提钻取芯。
/ _! c. l3 @1 I7 n 专辑：基础科学；工程科技Ⅰ辑。 / ?1 a7 V( G) ~0 Y. C* U) Q
专题：海洋学；石油天然气工业。
/ I, V' h! B5 k7 H, j/ F: A" ?. a 学科专业：机械工程。 7 x0 D; z+ d$ D# }4 E4 [3 o
% X' c! {. t, M$ h- Y
, o6 \* t( [- \7 o8 N) m ?. G
% e6 C6 r" U5 v% k+ ~- @, m. ?1 u# [
: w" R+ ]7 h7 y0 f' f$ L
' `$ X# w+ t6 |+ |- V+ F, n c - \$ Y1 ]$ g; C; ?- u" r& e
8 h/ ?; e( c. b
. E; ^1 [" _. r' k, u/ `2 n
1 S7 Q* O& e4 @/ y : M8 S% Z/ \/ s- G) d
$ t' m- Z- g5 I2 Q 7 [4 w) k) s+ S2 v! F
4 O& q5 g" _& i# b7 g k
$ J+ G# r, x, d# ]4 M7 W
& b- z4 z1 Y9 E0 T3 f
5 c3 `. w% ^& a4 @; P
! v! R) \; X0 `. w! m( B' v! |
% Y+ Y& D g+ V6 W( v
4 \4 Y# `1 j* K9 C* x$ w* x5 k , K m7 r7 N9 f* o+ G5 ]0 `( W
' q g W! W$ \ 9 e( \& x+ z) L4 }8 y( \4 r+ C
: R- C* V. C( {9 {
h' f6 |# p& c% w/ B O+ y
, R/ u+ ?5 G D8 C5 d
5 V% ?" l9 g! B3 c+ X8 F! Y" a" e, L0 ~' j0 ]: I7 q0 P) P
| 
