（机械电子工程专业论文）深海履带式集矿机行驶性能虚拟现实研究.pdf

摘要 履带式集矿车处于深海多金属结核开采系统这样一个串联系统 中的第一环节，是实现开采作业的基础核心单元。本文应用了虚拟现 实方法对履带式集矿车进行了动力学仿真研究。针对l 0 0 0 米深海多 金属结核开采系统的履带式集矿车，建立了其六自由度履带车空间运 动模型，包括三个平动和三个转动；该模型应用多刚体系统动力学， 考虑了关于主惯性轴的三个附加自由度：垂直平动、翻转运动和倾斜 运动。基于此模型，应用大型机械系统动力学仿真软件的履带车辆模 块a d a m s a t v 建立履带式集矿车虚拟样机以及仿真海泥路面模型，并 进行计算机仿真试验，得出仿真数据和动画，以此评价履带式集矿机 在深海沉积物上行驶的动力学性能，为海试集矿车工作性能提供参考 建议。 讨论了与履带式集矿车行驶性能有关的深海沉积物的土力学特 性，分析了中国深海矿区沉积物海泥的某些土力学参数，并参考中国 矿区深海沉积物不同深度剪切力的原位测量数据，配置出水土体积比 1 2 5 的膨润土作为仿真海泥，利用其土力学性质与真实海泥相似的 特点，测量了它的一些土力学参数作为虚拟样机动力学仿真的边界条 件。利用其他研究单位的试验成果，说明了虚拟现实方法研究履带式 集矿车在深海沉积物路面上行驶性能的可行性和可靠性。 论文探索了虚拟现实技术应用于履带式车辆动力学性能分析的 研究方法，并仿真和分析了深海履带式集矿机在深海沉积物地形上行 驶的动力学性能。 关键字深海采矿，履带车辆，动力学仿真，土力学 中图分类号：t p 3 9 1 9文献标示码：a a bs t r a c t t r a c k e dv e h i c l ec o l l e c t o ri st h ef i r s tt a c h eo ft h ew h o l e s e r i e s w o u n ds y s t e mo fd e e p s e am u i t im e t a ln o d u l e sm i n i n ga n dt h e f u n d a m e n t a lc o r eu n i tt op e r f o r me x p l o i t a t i o no p e r a t i o n t h ec 0 1 l e c t o ri s d y n a m i c a l l yr e s e a r c h e db ym e a n s o fv i n u a lr e a l i t ) rm e t h o d a c c o r d i n gt o t h er e a lt r a c k e dv e h i c l ec o l l e c t o rf o rl0 0 0m e t e r sd e e p s e am u l t im e t a l n o d u l e sm i n i n gs y s t e m ，as i xd e 掣e e s o f - 丹e e d o ms p a c ed y n a m i cm o d e l f o rt r a g k e dv e h i c l ei sc o n s t m c t e d t h em o d e li n c l u d e st h r e et r a n s l a t i o n m o v e m e m sa n dt h f e er o t a t i o n a lm o v e m e n t s ；a n dm u l t i - b o d yd y n a m i c si s u s e dd u r i n gt h ep r o c e s so fc o n s t m c t i o n i ta l s oc o n s i d e r st h r e ea d d i t i o n a l d e g r e e s o f ：f r e e d o mr e s p e c t e dt om ep r i n c i p l ei n e r t i aa x e so f m ev e h i c l e ： v e n i c a lt r a n s l a t i o n ，r o i l i n ga n dp i t c h i n gd e g r e e s o s 盘e e d o m b a s e do n t h e m o d e l ，t h ev i n u a lp r o t o 谚p eo f m i st r a c k e dv e h i c l ec o l l e c t o ri se s t a b l i s h e d t h r o u g hm ep o p u l a ra m o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a i l i c a ls y s t e m f a d a m s 、a n di t st 0 0 1 一k i da d a m st r a c k e dv e h i c l e ( a t v ) a 盘e rm e d v n a m i cs i m u l a t i o n ，t h es i m u l a t i n gd a t aa n da n i m a t i o no f t 1 1 es i m u l a t i n g p r o c e s sa r eo b t a i n e d ；t h ed y n a m i cp e r f o n n a n c e so f t h ec o l l e c t o rw a l 幽g o nm ed e e d o c e a ns e d i m e n ta r ed i s c u s s e db e f o r et h eu s e 缸is u g g e s t i o n s f o rr e a ld e e ps e at e s th o l di nm ec o m i n gy e 轧 t h et e r r 锄e c h a n i c sp r o p e r t yo f 血ed e 印一s e as o r s o i lr e l a t i v et o t h em o v i n gp e r f b r m a n c eo ft h et r a c k e dv e h i c l ec o l l e c t o ri s d i s c u s s e d a c c o r d m gt ot h ea 工1 a l y s i so fs o m et e r r a m e c h a n i c sp a r a m e t e r so f m es o f t s o i li nc 1 1 i n e s ed e e p ，s e am i n i n gf i e l d ，也es i m u l a t e ds e as o i lc o n s i s t e do f b e m o n i t ew a t e rm i x t u r ew i t h1 2 5 o f w a t e rc o m a i l l i n gr a t ei sc r e a t e d a n di su s e di nm et r a c k e d v e h i c l e s s i m u l a t i i l ge x p e m e n t a sm e b o u n d a r yc o n d i t i o n so fm e v i r 七u a lp r o t o t y p es i m u l a t i o n t h ef e a s i b i l i t yo f 也ed y n a m i cs i m u l a t i o ns t u d y o nt r a c k e d v e h i c l eb vm e a n so fv i r c u a lr e a l i t ym e t h o d i sd i s c o v e r e di nm e p a p e r ；山e d v n a m i cd e r f b n l l a n c eo fm e t r a c k e dv e h i c l ec 0 1 l e c t o rt r a v e l i n go nd e e p s e as e d i m e n ti sa n a l y z e da n d e v a l u a t e d k e yw o r d s d e e p s e a m i l l i n g ， t r a c l ( e dv e h i c l e ，d y n 锄i cs i n l u l a t i o n ， t e r r a m e c h a n i c s i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 日期：年一月一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者龇一新签姆期：一年一月一日 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 。1 、前言 第一章文献综述 锰结核“1 ，又称“铁锰结核”、“多金属结核”。其表面是由一种暗褐色、湿 润状、几乎是黑色的物质构成。如果把它切开，中间一层一层的，层次非常分明， 核心是各种岩屑和贝壳。锰结核大小不一，小的有如豌豆，大的有如乒乓球。直 径一般为0 5 2 0 厘米。 锰结核含有铁、锰、铜、钴、镍等5 0 多种金属元素、稀土元素和放射性元 素，尤其是锰、铜、钴、镍的含量很高。人们估计，世界各大洋锰结核的总储量 约为3 万亿吨，其中包括锰4 0 0 0 亿吨，镍1 6 4 亿吨，钴9 8 亿吨，铜8 8 亿吨。 以当今的消费水平计算，这些锰可供全球人类用3 3 0 0 0 年，镍用2 5 3 0 0 年，铜用 9 8 0 年。可见，在陆地原材料日益短缺的情况下，开采深海锰结核无疑会给工业 生产注入新的血液。从某种程度上说，深海锰结核的发现，具有划时代的意义。 自1 9 5 8 年开始，世界上对锰结核进行了有组织的调查。调查发现，锰结核 像铺路的卵石似的，摊铺在7 0 0 7 0 0 0 米深的洋底表层沉积物上，但只有在水深 3 0 0 0 米以上的矿床才有开采价值，其海底照片如下图所示。调查还发现，锰结核 是一种自生矿物，每年约以1 0 0 0 万吨的速度不断增长，前景十分诱人“1 。 图卜t 海底锰结核矿球 现在，已初步查明太平洋中的锰结核储量最丰富。在北纬6 。2 0 。、西经 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 l l o 。1 8 0 。之间的太平洋深水区，锰结核的品位和丰度都很可观，被认为是第 一代最有希望的采矿区，也是各国进行锰结核调查勘探和试采的主要场所。不过， 专家们认为，每平方米面积上的储量在5 千克以上的矿区，才具有商业性的开采 价值。作为2 l 世纪最有价值的开采矿产，自2 0 世纪7 0 年代以来，世界各有条 件的海洋国家，都纷纷斥以巨资，对大洋底部的锰结核矿床进行调查、勘探和试 采工作。 随着陆地矿产资源的逐渐枯竭，丰富的深海矿产资源必将成为难以取代的接 替资源而为人类所开发和利用。深海资源开采技术及装备已经成为各先进工业国 家的重要研究对象。 事实上，除多金属结核外，富钴结壳、多金属软泥、热液硫化物、天然气水 合物( 可燃烧的干冰) 等资源的开发利用已成为研究热点。2 1 世纪是“海洋世 纪”，是人类全面认识、开发利用和保护海洋的新世纪。占世界海洋面积6 5 的 国际海底蕴藏着丰富的矿产资源，其中多金属结核、富钴结壳等深海矿产可望在 2 l 世纪2 0 年代后进入商业性开采期，以替代日益枯竭的陆地资源，成为人类可 持续发展的重要物资基础”1 。据统计，占中国矿产消耗量9 0 的4 5 种主要矿 产，进入2 1 世纪后将有半数不能满足经济发展的需要，资源紧缺，将制约中国 经济持续、快速发展。开辟深海新资源，是中国一项重大的海洋发展战略。 中国合同矿区水深5 0 0 0 米左右，水域环境复杂，气象海况多变。实现深海 多金属结核开采，难度极大，需经过深海勘探、优选矿址、高压采集、高位提升、 远程运输、精析矿物、加工冶炼等一系开发程序，是集造船、运输、导航、电子、 遥测、自控、水声、水力、光学、物化和环保各领域高技术的综合运用。 深海集矿装置发展进程 深海多金属结核开采技术的研究已有3 0 多年的历史了，在这期间许多采矿 系统和采矿装置相继开发出来。在上个世纪7 0 年代末，基于这些深海采矿的深 海试验开展了很多：1 9 7 6 年和1 9 7 8 年，美国海洋矿产公司在北太平洋进行了第 一次海试，其开采系统由“h u g h e sg l o m a re x p l o r e r ”号水面母船，5 0 0 0 米长、1 5 英寸外径的提升管，5 0 0 0 米水深的中间仓和深海集矿机组成【4 】；1 9 7 8 年，海洋采 矿协会进行了两次多金属结核采矿试验，但是阿基米德螺旋驱动的自行式集矿机 只在o m c o 的系统中采用【5j ：1 9 9 7 年，日本在2 2 0 0 米水深进行了海底拖斗式集 矿机试验；然后，印度海洋技术研究院和德国济根大学设计工程和材料处理研究 所联合开发了使用柔性软管采矿系统在4 l o 米水深的沙地上进行了试验【6 】。7 0 年 代早期，新型采矿系统的计算机控制仿真软件已经开发出来【4 】。仿真软件开始应 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 用于一些系统和子系统的设计及其性能仿真分析，尤其是用在集矿装置设计和优 化方面。 集矿装置是深海多金属结核开采系统中的第一环节，是实现开采作业的基础 单元，是深海采矿系统的主要工作平台。纵观各国研究开发的历程，集矿技术的 发展经历了机械式、水力式及复合式集矿技术阶段，集矿机的行走机构从最早的 拖曳式发展到现在的履带式f 7 】，其发展历程如下表所示。 表1 1 深海集矿装置发展历程 集矿装置 优点弱点示意图 拖曳式结构简单， 越障困难 扰动小 螺旋浆式结构简单，功耗大 牵引力小 雌：别 阿基米德结构简单，压陷深，扰 l 。，。 螺旋式 动大， 承载能力低 越障困难， - 一 功耗大 剃黧蠡赫 履带式牵引力和承载能力结构复杂 大，越障容易，压陷 【蠛( _ ( ! )低， 扰动小，操控性好 现在，履带式车辆以其众多优势，已经成为深海采矿的主流工作平台了。它 的应用还不仅仅体现在深海采矿方面，比如，在浅海挖沙，深海挖沟铺设电缆， 等方面也显现出巨大的应用前景。德国和法国为海洋采矿系统研制了柔性悬挂和 刚性两台海底履带式作业机器入。下图为德国在1 9 9 2 年汉诺威展出的整车： 中南人学硕b 学位论文第一章文献综述 图卜2199 2 年在h a n n o v e r 展出的海底履带式集矿车 德国还和印度进行了多方面的对比研究，基于七十年代的研究成果总体方案 _ 【二仍然是水面船只、管道输送、履带式集矿机这样一套系统。下图为其在2 0 0 0 年在印度洋的下放试验： 1 2 课题来源 图1 3 德国在印度洋的下放试验 课题来源于“国家十五大洋专项”深海多金属结核开采系统虚拟现实 研究( 项目编号：d y l 0 5 0 3 0 2 ) 以及“国家自然科学基金项目”深海作 业机器人在海底复杂阻尼耦合作用下稳定行走机理研究( 项目编号：5 0 2 7 5 1 5 2 ) 。 我国深海采矿技术经过八五”、“九五”的研究，已在采矿车研制、扬矿系 统、水面系统、测控系统研究等方面取得重大进展。采矿车已通过水池采集试验 和湖试m ( 如图1 3 ) 。因为湖试环境与实际海上开采环境相距较大，而且湖试 4 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 中不能使集矿、中间仓、扬矿各部分形成完整的开采流程进行试验，因此，“十 五”期间还将进行多金属结核的浅海试验。算且确定了我国大洋多金属结核采矿 系统为“白行式集矿机水力管道提升”采矿系统。根据试验目的和所具备的海试 条件，“十五”海上试验的采矿系统包括集矿子系统、扬矿子系统、水声定位部 分和水面支持予系”。见下图。 图1 4 10 0 0 米海试系统简图【8 1 本项目中深海履带式集矿机的照片如下图所示，得到c o m r a ( 中国大洋协会) 资助。除了深海采矿方面，履带式行走平台还被广泛应用于海底电缆铺设，军用 坦克方面。 图1 510 0 0 米深海履带自行式集矿机“” 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 3 履带车辆的国内外研究现状 当今，学术界对履带车辆在软泥上行走性能研究主要集中在两个方面：数学 建模方面的研究和试验方面研究。两者相辅相成，共同发展。 1 3 1 数学建模方面的研究 在履带车运动模型上，k i t a n o 和j y o z a k i 【9 】建立了可在平面上运动的分析模 型，并用它研究了履带车的转弯性能。 图卜6k i t a n o 和j y o z a k i 研究履带丰转弯性能9 另外，鼬t a i l o 和k 啪a 【1 0 1 建立了悬架模型，如下图所示。并且作了履带车 在平面的任意平面运动能力分析。 图卜7k i t a n o 和k m a 建立的模型“” 车体装配了n 个支重轮来承载履带车的重量，履带板由合成橡胶包裹的内 联钢片制成，橡胶是用来减小噪音和振动的。承载轮由全金属轮体和外层橡胶轮 胎制成，用于隔振。车辆的悬架系统由四个主要部分组成：转矩臂，带悬垂或不 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 带悬垂的支重轮臂，吸振器和上下限位块。并且利用计算机进行了模型的仿真研 究，得出了仿真动画“，如下图a ) 所示；他们还进行了实际车辆试验和仿真模型 车辆实验结果的对比，证明了所建模型的正确性以及该方法的可靠性。其对比运 动曲线如下图b ) 所示。 a ) 仿真动画演示 图1 8k i t a n o 和k u m a 应用软件仿真 k w a t a i l a b e ，h m u r a k m i 和m k i t a l l 基于多刚体动力学( 专题论文由 r 0 b e r s o n 和s c h w e r t a s s e “1 汇编) 建立了可以在各种地形( 包括软泥地形) 上 行驶的，空间的运动模型。该模型有三个平动自由度和三个旋转自由度。如下图 所示： b a 多刚体动力学模型b 复杂地形模型 图卜9k w a t a n a b e 等人的研究 7 中南人学硕士学位论文第一章文献综述 并且建立了履带一泥土模型来精确地反映泥土在履带压力下的非弹性响应 如下图。”所示。 图卜1 0 履带板作用泥土的非弹性响应 另外，履带车的纵向和横向滑移速度对与车体运动学分析至关重要。履带车 辆的纵向滑移速度首先由h a y a s h i f l 2 1 ，和嵇t a l l o 与j y o z a k i 【9 1 分别独立提出”1 。 综上所述，k it a n 。和j y o z a k 一提出的的履带车分析模型只适合于平面运动； k n a 几0 和k u m a 建立的模型适用于任意的平面运动，包括稳定转弯运动；为了将 履带车的运用模型扩展到各种路面的行驶分析，m u r o 提出了一种六自由度的履 带车空间运动模型，包括三个平动和三个转动。但是它们都没有详细讨论软泥底 质路面上的履带车行驶情况。 1 3 2 实验方面的研究 实际车辆实验是验证仿真研究不可缺少的部分，在软泥和雪地上有很多学者 做过许多有意义的研究：工m u r o 【1 3 1 研究了4 吨农业履带式车辆在上下斜坡时的 性能。他建立了如下车辆模型i ”】： 图1 一ut m u r o 建立的农业履带式车辆上斜坡模型 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 并且研究了对应车辆在2 0 0 下坡路面上刹车时的履带接地压力和履带剪切力 的分布情况，如下图1 所示： 图卜1 2 下坡刹车时履带受力分布 另外，德国济根大学的e s c h u l t e ，r h a n d s c h u h 和w s c h w a r z 研究 了不同剪切装置( 十字板，剪切环和履带板) 对软泥的不同剪切力之间的相互关 系，从而得出可供现场工程人员查询的转化因子表，使得土力学参数测量结果的 应用更加灵活，精确。其实验台和三种方法测得的软泥剪切力一剪切位移曲线如 下图“1 所示： o 2 6 0 0 8 1 0 0 。 s h f d b b o * m i m w “ f i b u 呻1 c ，雌 n m e 杜州甜s i l 村s 幅l i h 盥r d b p 曲蚶n 峭哪瞄f w 自f m e 呲 1 0 0 ，tm 蕾s u m 啦曲t 吐m e # u n k e ，m mm c o l a 履带把动试验台b 三种剪切装置的剪切力一位移曲线 图l l3 德国济根大学b s c h u l t e 等人的研究 ，4 3：o _目njjw ! 堕盔堂! ! 主堂垡鲨奎 笙二兰苎堕簦鲨 根据上图b 的三条剪切力曲线计算得出十字板，剪切环和履带板对软泥的不 同剪切力一位移关系的换算公式： p m d 其中：c ，换算因子， p ，参数( 比如：r 一) m d ，测量装置( 十字板，剪切环等) t s ，履带板 表卜2 因子转换查询表( t 在研) 1 1 8 1 7 6 【c r 乙蛐b i 一，一。 2 0 95 0 0 l z s rb c 6r 珥 0 7 c 6 衄瑶 2 2 6 1 _ c 血r 宿 l 口b 1 2 5i 2 5 c ，一r 一订 o ，蛐话 c drb 0 0 8 c ds rm o 0 8 韩国海洋工程和船舶研究院的j o n g s uc h o i ，s u ph o n g 和h y u a n g w o o k im 【”1 作了等比缩小的整车的软泥牵引性能实验研究，实验装置如下图1 1 5 1 所示： 图卜1 4 履带车在软泥上的牵引性能研究 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 中国从1 9 9 0 年开始深海多金属结核开采技术的研究。开发的采矿系统由自 行履带式集矿机、软管、中间仓垂直提升管和提升泵、水面母船和水声定位系统 组成。2 0 0 1 年进行了1 3 0 米水深的湖试 8 1 ，在这次湖试中检验了一些子系统的工 作性能。 图i 一1 5 中国“九五湖试阁 为了评估整个采矿系统，改进系统设计和积累深海真实采矿的经验，中国大 洋协会计划在1 0 0 0 米水深进行大洋多金属结核的海试。虚拟现实研究是这次海 试项目的一部分，它的目的在于为真实海试提供技术参考，验证系统的理论模型， 并将这些数学模型和分析结果应用于海试系统的监控和采矿过程的可视化。在这 项研究中，基于海试系统的设计概念，建立了深海采矿系统的主要子系统的模型。 利用有限元和多刚体计算动力学等方法研究和评估了系统的运动学和动力学性 能。 集矿机子系统方面，从“八五”开始，就进行了履带式作业机器人的研制， 完成了1 3 0 米深的湖试，工作性能和产量基本达到设计要求。我国大洋多金属结 核开采系统研究历经十年努力已取得很大成就。但仍然面对许多新的挑战和更深 层次的问题，如尚未从理论的角度研究作业机器人在复杂环境下的稳定行走性 等。2 0 0 2 年我国中南大学李力呻坪0 用多刚体系统理论建立了深海采矿系统的自 行履带式集矿机在平坦海底，斜坡，沟槽和障碍环境下的多刚体模型描述了中国 矿区的海底沉积物的力学特性，说明了剪切力和沉积物深度之间的关系以及自行 履带式车辆的最大牵引力开发了运动学仿真软件，进行了运动学仿真，分析得到 了仿真结果和在四种不同路面上的履带车辆主要部件的运动学特征通过这些分 析，得出了履带车辆的合理结构设计，并验证了该车辆的稳定运动和其上坡，过沟 和越障的显著能力详见下图【l ”： 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 l “ a ) 虚拟样机b ) 仿真曲线 图1 1 6中国深海履带车典型路面计算机仿真研究 1 4 研究方法 1 4 1 虚拟现实技术在工程领域的应用 深海环境恶劣不利于多航次的实际海试，虚拟现实技术是现代工程分析和设 计中一个新方法，己在国内外空间技术、国防技术、海洋技术、先进制造技术研 究方面取得过大量成功应用。虚拟现实研究有以下优点：虚拟研究节省研究成本， 虚拟研究缩短研究周期，虚拟研究成果可重复性强。虚拟研究的通用方法为建立 研究对象的虚拟样机，对该样机的特定性能参数在虚拟环境下通过计算仿真的方 法进行测试，输入实验数据与其对比，如果数据吻合度不高，则在仿真中更详细 地调整参数( 如动摩擦系数，关键元件的刚度，阻尼等) ；如果吻合，则加入参 中南大学硕+ 学位论文第一章文献综述 数和设计变量进行迭代，对设计变量进行参数优化，最后设计自动变量优化界面 最终得到优化产品。 1 4 2 基于a t v 的履带车虚拟现实研究 基于a d a m s a t v 建立履带式集矿车虚拟样机，并对集矿车行驶在1 0 0 0 米 深海沉积物上行使时，遇到平地、斜坡、障碍和沟槽等典型地形的通过性能和其 动力学性能进行评估。结合实验对比研究，可证明虚拟现实研究方法的可行性。 应用虚拟现实方法具有高效处理复杂多刚体动力学模型的优势。本文对履带 式集矿机的分析研究都是在对实际系统进行了较大简化的前提下进行的，而海洋 本身就是一个包含了多种复杂耦合因素的环境，大洋多金属结核及钴结壳的开采 系统也是一个庞大复杂的系统整体工程。所以，采矿车子实际工作环境和工作过 程都会比简化的模型复杂许多。现有的履带式集矿机数学模型都不能准确对实际 系统进行描述，而只能是对履带式集矿机大致运动规律和工作过程做出初步分 析，分析所得结论也非常有限，很难为1 0 0 0 米海试采矿系统履带式集矿机的研 制和试验提供足够参考。所以，为了能综合考虑到多种复杂因素对整个系统的影 响，准确地对实际履带式集矿机进行描述以及深入研究该系统工作过程，本文采 用虚拟现实方法，建立履带式集矿机虚拟样机，并根据海洋勘察及相关资料，模 拟海底矿床地貌、水文条件、资源分布状态等深海底矿产资源开采环境，重点考 虑了履带一海泥的相互作用力。履带式集矿车在深海行走的牵引力主要来自履刺 剪切海泥时的反力5 1 深海下不同地点沉积物的承载能力与剪切力不同，分析确 定沉积物的承载特性和剪应力一滑移关系。本文利用膨润土替代海泥( 依据：膨 润土剪切力和贯入力等土力学参数曲线同海泥原位测试曲线基本吻合) ，建立模 拟海底路面，并研究该路面和履带之间的相互作用：利用已有研究成果：膨润土 仿真剪切力与实际测量剪切力相吻合，说明利用膨润土进行海泥仿真是可信的， 为本文用动力学仿真研究深海履带式集矿机在海泥上行驶性能提供一定的依据。 总之，在不同虚拟开采环境下进行虚拟采矿作业，需要建立相应的履带式集 矿机模型，对各种外界影响有选择地考虑后，根据虚拟样机模型进行动态仿真， 然后利用试验验证仿真的可靠性，才能对系统作进一步研究。 类似地，基于虚拟现实技术的履带车动力学仿真研究同样要经历如下流程： 建立深海环境下履带车虚拟样机，寻找静态平衡，然后进行履带车在深海环境下 行走动力学仿真，分析a t v 得出的后处理数据，对比实验验证数据，进而优化模 型参数，再次仿真，达到满意为止。分析仿真结果，预测海试可能出现的问题， 针对海试提出参考意见。基于虚拟现实技术的履带车研究流程图如下所示。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 修 改 模 型 建立虚拟样机 寻找静态平衡 动力学仿真 后处理分析 试验验证 参数优化 结束 车体底盘 履带系统 装配履带 土壤参数 路面形态 初始化 满意否? 否是 图卜1 7 基于a t v 的履带式集矿机虚拟现实研究流程图 1 5 本课题研究的基本思路与文章的章节分布 本课题研究的基本思路如下：首先， 与行驶有关的主要参数，建立数学模型， 以原有的履带式集矿机为基础，分析其 提出系统工作条件；其次，讨论了海泥 土壤的土力学特性，根据中国海试作业要求建立海底路面形态；然后，根据实际 1 0 0 0 米海试，设定履带式集矿机初始工作条件，建立基于a t v 的虚拟样机为动 力学仿真作准各；而后，通过仿真边界条件确定试验以及其它单位研究成果，说 明了履带式集矿机动力学仿真样机方法的可靠性；最后，在前面工作的基础之上， 对履带式集矿机虚拟样机工作过程进行模拟与动力学仿真分析，并对系统进行行 驶性能分析和评价。 本文共为分七章，各章的主要内容简述如下： 第一章为文献综述，简要介绍研究背景，对三十年来的深海采矿装置的发展 历程进行了简单回顾，对履带式集矿机的国内外研究现状进行了整理，简单介绍 了虚拟现实技术用于本文履带式集矿机的动力学仿真的研究方法。 第二章对深海履带式集矿机简化为三个主要部分，建立了六自由度空间模型 分析了模型的运动学和动力学变量，为下面的计算机仿真研究准备了数学依据。 第三章讨论了海泥的土力学特性，履带一海泥相互作用机理，具体讨论了中国 矿区的深海工况，并基于a t v 建立了履带式集矿机虚拟样机行驶的仿真路面。 中南大学硕士学位论文 第二章履带式集矿机动力学模型 第二章履带式集矿机动力学模型 对履带式集矿机进行适当简化为车体、底盘和履带系统三个主要部分后，建 立六自由度履带车空间运动模型，包括三个平动和三个转动，模型分析了履带车 的运动学变量，根据牛顿第二定律建立了履带车的动力学方程。为履带车的计算 机仿真准备了数学依据。 2 。1 集矿子系统组成与功能 在深海多金属结核开采系统这样一个串联系统中，集矿子系统处于第一环 节，是实现开采作业的基础核心单元。它具有自动行走和采集的双重功能，在整 个系统开采作业中起着主导作用。其任务是采集赋存于海底沉积物表面的结核矿 石，并根据结核输送工业要求，对所采矿石进行脱泥、破碎处理，并将其给入扬 矿子系统。集矿机工作稳定性、可靠性直接决定整个开采系统的运行质量和效益， 是采矿系统中最关键的一部分。 履带式集矿机由机械及液压传动系统和电声测控监控系统两大部分组成a 其 中的机械及液压传动系统根据功能可分为六部分如下图2 一l 所示：履带式行走机 构、水力式集矿机构、单齿辊破碎机构、液压传动系统、机重调节部件( 浮力体) 、 软管连接装置及附件等。 中南大学硕士学位论文 第二章履带式集矿机动力学模型 图2 1 集矿机结构示意图“ 履带自行式集矿机由行走机构和承载各工作机构的上部机架组成，行走机构 包括履带、履带架、驱动轮、支重轮、拖轮、张紧装置等。其功能是承载全部 车重以及运载采集到的矿石在海底自动行走作业。 “九五”期间研制的履带自行时集矿机能产生足够的牵引力，其大接地面积、 尖形高齿的履带在湖试中证明基本能够满足在软质海底底层行使的要求，但也暴 露出一些问题，需要进行改进和完善”1 。集矿机主要性能参数0 1 如下表所示： 表2 1 集矿机主要性能参数8 外形尺寸( 长宽高) 7 5 0 m 5 2 0 m 3 3 0 m 重量3 2 t ( 空重) l l t ( 水重) 集矿机支架 1 5 t 承载重量 1 0 t 浮力体密度 0 5 t m 3 浮力体体积 2 6 m 3 接地比压 3 k p a 海底沉积物剪切强度 3 k p a 最大功率1 5 7 k w 行使速度 o l m s 工作速度 0 5 m s 采集行走轨迹偏差 2 m 转弯半径 蔓7 越障爬坡 1 5 0 越障高度 0 5 m 越沟宽度 1 m 方位角测定范围 o 3 6 0 0 前后倾角测定范围 2 5 。 左右倾角测定范围 2 5 0 声学定位精度 s3 【i 动力电压等级 3 0 0 0 v 2 2 集矿机动力学模型 中南大学硕士学位论文 第二章履带式集矿机动力学模犁 由于集矿子系统是一一个复杂的多刚体系统，为了有效的分析其数学模型，对 其进行了必要的简化：将其分为车体、底盘和履带系统三个主要部分来建模，其 简化模型如下图所示。 图2 2 履带车动力学模型参考坐标系以及车体坐标系 参考m u m i l3 】提出的六自由度的履带车空间运动模型，本文综合考虑松软底 质路面，建立了包括三个平动和三个转动共六自由度空间运动模型，该模型应用 多刚体系统动力学，考虑了关于主惯性轴的三个附加自由度：分别是垂直平动、 翻转运动和倾斜运动。下面讨论的履带车运动的基本运动学和动力学变量，也是 a d a m s a 1 弋，进行仿真计算的数学依据。对于参数化动力学仿真软件a 1 w 而言， 分析具体的模型，只要改变其相关参数就可以了。 2 2 1 运动学 本小节利用牛顿第二定律，定义了描述履带车运动的基本运动学变量。 位置 考虑到在欧几里得三维空间的履带车这一刚体的空间运动，一如图所示。 车体质心的瞬间位置爿。根据带单位基向量( e l ，e i i e 。) 的参考坐标 系( 。，五。，x 。) 给出： 。= x ? e l + z ：e 。+ z 品e i i i 公式( 2 1 ) 一般地，地面的构型由一个空间曲面，仪) = o 定义，当z 丌简化为常数时 路面即为平地。 中南人学硕士学位论文 第三章深海路面仿真模型建立 第三章深海路面仿真模型建立 海泥路面仿真是履带式集矿机深海采矿虚拟现实技术中的一个难点和重点。 履带车辆在软泥上行驶主要依靠泥土的剪切力而非摩擦力，因此深海履带式集矿 机获得的牵引力也不同。深海不同地点沉积物的承载能力和剪切力不同，本章着 重讨论了海泥土力学特性，履带与海泥相互作用机理，具体讨论影响履带车海底 行走的深海沉积物土力学参数，最后建立了仿真所需路面形态。为用试验方法确 定仿真深海路面的边界条件作了准备。 31 海泥土力学特性 3 1 1 海泥剪切强度 车辆行走机构通过于地面的附着力( 摩擦力) 和破坏地面的剪切阻力而产生 车辆前进所需的牵引力。与在陆地上行驶的车辆的不同，行驶在海泥上的履带车 辆必须考虑海泥土壤的剪切强度。 海泥剪切强度定义为海泥能产生的用以阻止剪切破坏的最大阻力。海泥和大 多数固体材料不同，它不具有唯一的剪切强度值，海泥剪切强度受加载条件( 三 轴、单轴) 、排水条件( 排水、不排水) 、水分( 饱和、部分饱和、干) 、加载速 度( 快、慢) 、应力历程和位移容许量的影响，尽管主因素中有些是不确定的， 为避免失真，总是用尽可能重现现场条件的原则来确定海泥的剪切强度。 和大多数固体材料一样，海泥土壤呈现一定的“塑性”，海泥土壤破坏也总 是伴随有某种程度的屈服。摩尔一库仑( m o h r c o u l o m b ) 屈服准则已被土力学学 者用于确定各向同性土壤破坏时的屈服“。 通常，土壤剪切强度j 是作用在破坏平面上的法向应力盯的某个函数，可表 示为( 摩尔一库仑公式) ： 5 = c + 盯t a l l 口公式( 3 一1 ) 式中：c 内聚力 口固体和土壤之间的内摩擦角 主堕拦堡主堂垡鲨塞 箜三童堡垒堕亘笪塞堡型建皇 3 1 2 海泥壤弹塑性理论 在应用弹性理论时，假设海泥土壤是均质的、各向同性的和线性或非线性弹 性的，海泥土壤的弹性剪切应力必小于土壤的剪切强度。 弹性理论的应力一应变关系可表达为： 2 詈 旷铲一等 公式( 3 - 2 ) 式中： 、盯；x 方向的应变和应力 g 。、：正交方向的应变； e 弹性模量( 杨氏模量) “泊松比 由于海泥土壤的“和e 在任何有效地加载范围内都不是常数，应用弹性理论 只能得到近似解。对于内聚性土壤的海泥来说，应力历程、排水、应变率、扰动 和触变效益都显著影响弹性模量。一般来说，以“不排水”方式加载时模量随海 泥土壤发扰动、主应力之差的增加而减小，随固结应力、过度固结比和应变率的 增加而增加，工程中对粘土一般取0 4 “。 显然，只有在“和e 是现场条件的典型值，而且位移很小的情况下，弹性解 才可以得出土壤状态的近似值。对于履带车辆行驶在海泥上所涉及的大多数情况 海泥土壤出现塑性屈服，则必须应用塑性理论，以确定土壤在外载作用下的 应力一应变状态。 用塑性理沦分析海泥土壤一结构相互作用基于假设海泥土壤是理想刚塑性材 料，即无论加载顺序、应力历史和加载速度如何，材料再达到破坏应力前不产生 变形，而一旦产生变形，则不会再有应力变化“。 对土力学问题应用塑性理论时，将屈服( 破坏) 准则结合起来，即可分析土 壤对载荷的响应。 摩尔一库仑屈服准则是通过应力状态确定是否发生破坏理论。摩尔一库仑表 达式的线性形式已在公式( 3 一1 ) 给出，并可用下图“形象地表述。强度函数线 上及左上方区域应力组合意味着导致库仑型破坏，强度函数线右下方区域的应力 组合不会使材料屈服或破坏。 2 7 中南大学硕士学位论文第三章深海路面仿真模型建立 口i d西d 打法向应力西 图卜l 库仑强度函数与可能的应力状态 摩尔的贡献是得出了倾斜平面上的应力和图解确定主应力间的关系。下图”9 表示了一系列摩尔应力圆和“破坏包络线”，该线即库仑强度函数线。 呦z 乒c r 氇 缸 气名l j f 。 钆嘞口嵋a l 响 法向应力 图3 2 摩尔圆及口1 与盯3 的关系 3 2 履带一海泥相互作用机理 履带可以看作车辆自携的可移动道路，它可以连续地在车辆前面铺开，车辆 在其上通过，然后在其上通过，然后再由车辆收回。履带式车辆便于通过承载能 力较低的地面，且牵引力较大，因而在军用、农用及施工工程领域得到了广泛的 应用。这也是为什么履带式行走机构作为首选用于深海集矿机的行走机构的重要 原因。虽然早在1 7 7 0 年就发明了履带，但直到2 0 世纪5 0 年代才由贝克和瑞斯 等人，用土壤特性表示运动阻力和挂钩牵引力队滑动的关系，并给出履带问题的 某些精确解。 中南大学硕士学位论文第三章深海路面仿真模型建立 32 1 履带接地压力 作为履带式车辆总体性能之一的名义接地压力( 亦称平均单位压力，为整车 质量除以履带接地面积) 沿用多年，这个指标适用于小轮距、小负重轮和长节距 的履带，这时，在履带接地长度范围内，表层土壤受的压力可以近似地看作是均 布的，从而，可用名义接地压力粗略地估计履带车辆对地面的作用。通常这样的 履带行使速度较低。因此名义接地压力这一指标能够正确评价履带式集矿机在松 软海泥上的机动性能。 通常，人踩地面的压力为4 9 k p a ( 取人走路时仅有一只脚着地的情况) ，而 履带车辆对地的平均压力值大部分在4 旷9 8 k p a ”1 。 履带和海泥之间的垂直压力基于b e k k e r ( 1 9 5 6 ) m 1 提出的公式。则持续加载 的刺入压力公式为： f k 。6 + 世。) z ”z z 。 p = 公式( 3 3 ) 1 只。一( k 。+ 4 。z 。) ( z 。一z l z z 。 其中，z 垂直刺入量， z 。最大刺入量， k 。内摩擦角妒正切值， b 刺入工具的短边尺寸， 芷。，n 基于海泥土壤的常数， 只。最大压力( 对应于z 。) 岸。，一。海泥土壤参数。 3 2 2 剪切力一剪切位移 海泥的剪切力一剪切位移关系基于j a n o s i a n dh a n a m o t o 提出的指数方 程，见公式( 3 4 ) 。 中南大学硕士学位论文第三章深海路面仿真模型建立 r = r 。l 1 其中，r 最大剪切力， 产剪切位移， k 剪切变形模量。 图3 3 剪切力与剪切位移的关系 公式( 3 4 ) 测试不同接地压力的情况下的最大剪切力，就可以绘制最大剪切力一接地压 力直线如下图所示。 图3 4 最大剪切力一接地压力线性关系 根据摩尔一库仑理论，直线的斜率由内摩擦角决定，节距由内聚力c 决定。 其中，p 接地压力 公式( 3 5 ) 中南大学硕士学位论文第三章深海路面仿真模型建立 c 零接地压力时的最大剪切力， d 海泥土壤剪切阻力的内摩擦角。 综合公式( 3 4 ) 得 r = ( c + p t a n 1 1 一e 一坛1 公式( 3 6 ) ，为仿真中每一时间步长的剪切位移量 只只一。 p、p 公式( 3 7 ) 。1n 1 n 一1 其中，西当前时间的前一步长的剪切位移量。 综上所述，剪切力一剪切位移关系由一下三个参数决定： ，| i ( ，c 。 3 2 3 履带车辆牵引力 由土壤的抗剪强度所决定的推力称为土壤的最大推力，用品一表示，根据 库仑方程公式( 3 一1 ) ，有： 日。a x = 4 c + t a n 妒 公式( 3 8 ) 由上式可知，一般土壤所产生的推力取决于接地面积4 和车重矽。对于纯 粘性土壤( 妒= 0 ) ，车重不产生任何推力；而对于纯摩擦性土壤( c 。o ) ，接地 面积的大小与推力无关。 若考虑履刺效应产生的附加牵引力，则土壤的最大推力日。应为： 附加牵引力可由下式确定 n 。= 4 c + t a i l 妒+ f 公式( 3 9 ) 中南大学硕士学位论文 第三章深海路面仿真模型建立 廿翊l 协嘶4 榈州吲( 鲁 公加圳， 式中，h 为履刺高度。 考虑履刺效应的每条履带的最大总推力矗应为 ，_ 。= 。三c ( - 十警 + t a n p + 。s 。 ( 鲁) c