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原文传递水下打桩锤冲击系统动力学分析及砧铁构型优化

论文题名：	水下打桩锤冲击系统动力学分析及砧铁构型优化
关键词：	水下打桩锤;冲击系统;有限差分法;贴体曲线网格;海洋油气平台
摘要：	目前打入式桩基础仍是海洋油气平台最可靠的基础形式。随着海洋油气平台日益趋于大型化，所使用桩的直径和长度不断变大。因此大冲击能量的水下打桩锤是海洋油气平台桩基施工中的关键装备。然而目前我国尚无一台可以投入实际使用的大冲击能量打桩锤，进口国外的设备不但价格高昂，而且设备的维护、技术支持难以保障，这直接影响了我国对海洋油气资源的开发，所以迫切需要研制大冲击能量水下打桩锤。本文在对水下液压打桩锤进行总体结构设计的基础上，主要对大冲击能量水下打桩锤的冲击系统进行研究，建立了冲击系统的轴对称动力学模型，提出了对其进行数值求解的方法，通过对数值仿真结果的分析，得出砧铁的构型参数对冲击系统动态性能的影响规律。建立了基于动态强度的砧铁构型优化模型，采用有效集优化算法获得了满足强度要求的最优构型参数。　　通过水下打桩施工实例的分析，提出了水下液压打桩锤冲击系统最大冲击能量、适应桩径、适用水深的要求。根据以上提出的要求及技术成熟的陆用打桩锤冲击系统组成，提出了水下打桩锤冲击系统的合理组成是锤芯、砧铁、桩，取消了陆用打桩锤冲击系统中常包含的锤垫和桩垫；提出了基于潜水钟原理的双层锤壳设计方案，解决了冲击系统面临的水下环境适应性问题；确定了双作用液压驱动方案，在满足大冲击能量的要求下降低了锤体重量，缩小了锤体体积；为了减轻打桩时锤体受到的反冲击，提出了锤芯悬吊单元及砧铁缓冲环的设计方案，完成了水下液压打桩锤的总体结构设计。　　建立了冲击系统的轴对称动力学模型。基于Lax-Wendroff差分方法，实现了锤芯和桩的轴对称动力学模型的数值求解，给出了锤芯和桩的边界条件的数值计算格式。提出了砧铁的轴对称动力学模型在曲线网格下的数值求解方法，推导出了砧铁曲线边界条件的数值计算格式。通过在魏文礼给出的曲线网格划分方法中补充边界节点正交修正算法，改善了砧铁贴体曲线网格的均匀性及相交网格线的正交性，解决了冲击系统轴对称动力学模型数值求解不易收敛的问题。　　建立了1200kJ水下打桩锤砧铁的二维轴对称参数化模型，模型以砧铁内轮廓曲线函数的常数项及以砧铁外轮廓曲线函数的二次项系数为构型参数。通过对不同构型参数的砧铁进行锤击数值仿真，发现砧铁的构型参数对冲击能量传递效率的影响为3％左右，对锤击过程中锤芯内的最大应力值没有影响，对砧铁中的最大应力的影响达165.53MPa，对桩内的最大应力的影响达90.77MPa。通过径向基函数法，获得了砧铁的构型参数与锤击结束后冲击能量传递效率、撞击过程中砧铁内的最大应力及桩内的最大应力之间的近似函数关系。建立了二次曲线轮廓砧铁的构型优化模型，优化模型以锤击结束后冲击能量传递效率最大为目标函数，以锤击过程中砧铁内的最大应力及桩内的最大应力满足许用应力要求为约束条件，根据不同径向函数表达的性能参数的近似函数，组合出了8组优化模型。通过fmincon非线性多变量优化工具箱求解了优化模型，获得了8组满足1200kJ水下打桩锤冲击系统动态强度要求的优化结果。　　为了验证锤芯和桩的数值计算模型的正确性，设计了两杆轴向撞击实验装置，完成了两实心铝杆和两铝管的撞击实验，实验结果与数值结果趋势一致。为了验证砧铁数值计算模型的正确性，建立了MENCK公司1200S水下打桩锤冲击系统的数值计算模型，获得的仿真结果与MENCK公司的数据基本相符。对所获得的8组砧铁构型优化结果进行了仿真分析，优化结果与数值结果的最大相对误差为1.7%，验证了各性能参数近似函数的准确性，并确定了最优的砧铁构型参数。　　本文的研究成果为水下打桩锤冲击系统的设计提供了理论基础及数值计算方法，为具有光滑曲线轮廓的砧铁提供了一种构型优化设计方法，为设计其他具有光滑曲线轮廓的砧铁提供了可借鉴的构型优化设计思路。
作者：	陈东华
专业：	机械电子工程
导师：	王立权
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文