提钻取芯式海底钻探采样机构设计与仿真分析 -钻井取芯技术

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。

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：

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。

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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。

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。

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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。

关键词：机构设计；钻探机器人；仿真分析；提钻取芯。

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专辑：基础科学；工程科技Ⅰ辑。

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专题：海洋学；石油天然气工业。

学科专业：机械工程。

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