海底沉积物孔隙水原位采样柱是一种用于原位采集孔隙水的装置,在海洋资源探采、海底地质勘查以及地球气候变迁等研究领域应用较为广泛。本文依托于国家863计划“沉积物孔隙水原位采样柱研制”课题项目,并基于十一五期间有关孔隙水原位采样系统,针对系统装置存在的不足和工程实际化需求,对原位采样柱进行了改进设计,从而提高装置的采样过滤性能。改进设计后的装置,可以同时分离表层海水和沉积物孔隙水,保证采集样品的气密性和保真性,为我国海洋科学领域在天然气水合物寻找矿产资源和资源评估方面提供高技术支撑。全文所做的具体研究工作总结如下:(1)概述了海底沉积物孔隙水原位采样系统国内外研究现状,针对当前研究存在的问题进行了分析和总结,并依此确定能够满足原位采样柱相关技术要求的整体设计方案和工作原理。以整体设计方案为依托对装置的各组成部件进行了尺寸参数设计和结构设计,同时对各部分结构的材料选型和性能特征进行了分析。(2)通过ANSYS Workbench静力学仿真分析模块对海上试验使用的原位采样柱基于实际工况条件进行抗弯强度分析,分析对象包括电磁阀安装筒、取样筒以及双卡箍,分析结果表明,整体原位采样柱结构设计合理,性能可靠,满足材料的强度和刚度要求;另外,借助FLUENT流体分析软件对实验室环境下模拟试验使用、三种不同过滤孔径的原位采样柱外部流场进行分析,分析结果表明,孔径为1mm的采样柱其内部孔隙水对外层过滤网的冲击损坏程度最低,过滤效果最好。(3)利用ANSYS Workbench有限元仿真分析软件对模拟试验条件下使用的原位采样柱关键零部件外壳筒和底座进行响应曲面优化,其中以外壳筒和底座的重要尺寸为输入参数,以质量、最大变形量以及最大等效应力为输出参数,并以质量最低化和规定范围内最大等效应力为约束条件。在优化设计分析之前,需凭借Solidworks三维软件对模型进行参数化建模;经优化设计后的模型结构,不仅能够符合材料性能要求,而且在质量上有所减少,以至于节省了材料,降低了制造成本。(4)基于海洋实验室的试验平台对原位采样柱进行了验证性过滤试验,试验对象包括过滤孔径分别为1mm、1.5mm以及2mm的三种原位采样柱。通过对比三种装置所采集孔隙水样品的浑浊程度,进而判断出最佳的采样过滤装置。在试验之前,对不同海域的真实海底沉积物进行粒度检测,得出海底沉积物粒度范围,为装置外部过滤网层的设计提供参考依据。经过多次反复试验验证,试验结果与理论仿真分析结果相一致,最终确定过滤孔径为1mm的原位采样柱可作为最佳采样过滤设备,以至于提高了装置的整体过滤性能。