|
. p a: w, L* t/ A0 L 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。
0 m9 T% ^+ Z& w' X! K5 R8 w 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： 0 B$ p8 c3 u. ^
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。 0 F: w* }4 k U6 t( \+ D& g
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。
: P5 {* I8 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。
* n/ H+ k" Y: U* Q- k, ^# J. x 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。 ! E0 \+ b$ [- U5 x& ?
关键词：机构设计；钻探机器人；仿真分析；提钻取芯。 ! @4 E. ]0 ~7 H0 B, d
专辑：基础科学；工程科技Ⅰ辑。
( D$ a1 X1 u% V* R) Q( ]9 W# C 专题：海洋学；石油天然气工业。 g- A; F; z, f3 b/ x" E
学科专业：机械工程。
* K! i/ N* i. u6 p. h3 m X0 H: R
& R8 S# Z/ k" z# c" ]% s l \1 k' a9 L4 q+ ?
: u l' K( W5 e. t- w ( M% x5 H8 ^" j$ U+ E
0 z( k0 K& O1 W1 R7 D$ K2 O, p2 U 7 |) m; R2 @1 M0 S( A
' }6 v9 Z0 i- B3 g$ Z( E- n
/ I. C- w% i9 f% a& \5 a: z$ {3 |
0 C5 I: v! W/ S( m
8 ]; S+ d1 ~5 K# |! g
# N) q7 H7 c7 P/ r9 h# [- S$ N# g
3 o! a$ L) D( n2 E: z
# A K% n4 ]) Y3 s( @- Y: K9 i 6 ]/ g; J3 h7 Y0 ]6 e6 U/ M
! V+ x2 b: u3 J% B s3 a
+ Z/ C1 i+ U5 Q' c, a5 S
( [0 Z6 R9 l1 Y
b$ [' k- t, P7 k% w5 Q
/ o7 _2 h) J# \
7 y+ T& D6 _1 P' ?
* R% X% w& ?' I* F( L& F, T. y5 N ' H" T9 k- A1 s2 E
5 }3 q$ j. E, q+ r0 X) g- b
' `5 Q6 O) ]$ E- o! s# g. M" \, H+ J" ^7 z5 M" R. @
- M& l" J% q& ^. c- S% d: T2 I0 a
! O' I, r& c& K" d | 
