（机械设计及理论专业论文）深海采矿作业过程扬矿管线系统空间构形与动态特性研究.pdf

摘要陆地上矿物资源的逐渐枯竭成为进行强有力海洋采矿研究的重要动机。在复杂海洋环境因素影响下将深海多金属结核连续、高效地采集并输送到海面采矿船上，同时要求开采系统具有高度可靠性和商业应用价值，是目前深海采矿面临的主要研究课题之一。管道提升式深海采矿系统是目前被国际广泛认可的典型深海多金属结核开采系统。自2 0 世纪7 0 年代，国际上各研究机构对这种采矿系统开展了大量的研究与海洋试验。中国深海多金属结核开采1 0 0 0 m 海试系统亦采用集矿机与管道提升相结合的采矿方式，其扬矿系统是由扬矿硬管、扬矿泵、中间仓、柔性软管等多体组合的复杂长管线系统。在海洋采矿作业过程中，扬矿管线系统既受到包括海洋环境载荷在内的各种复杂外部载荷作用，又受到海面采矿船和海底集矿机作业运动的影响，因此无论是在布放回收还是在拖航作业过程中，其运动学和动力学特性都十分复杂。作者结合国家深海技术发展项目相关课题，采用有限元法对深海采矿扬矿管线系统作业过程进行数值模拟，研究管线空间构形和动态特性。主要研究内容如下：1 多体组合的深海采矿扬矿管线系统各部分主体结构之间力学耦合，根据中国深海采矿1 0 0 0 m 海试系统总体方案和作业规划，针对扬矿系统各部分的结构特点、联接方式和作业条件，研究多体组合的扬矿管线系统在复杂外部载荷和作业联动作用下的力学建模。柔性复合软管作为扬矿管线系统的重要组成部分，其建模方法对整体扬矿系统作业联动分析的计算效率和精度影响很大。针对柔性复合软管抗拉刚度大，抗弯刚度小的宏观特性，提出了基于空间管梁有限元模型的单元耦合建模方法，建立了包括扬矿硬管、柔性软管、中间仓及扬矿泵等多体组合的扬矿管线系统有限元模型，为整体扬矿管线系统布放回收和拖航作业过程动力学分析提供了一种较精确的力学分析模型。2 扬矿管线有限元模型的外部载荷包括重力、浮力、海洋液动力、内外流体压力、内部流体运动产生的摩擦力、泵工作产生的轴向力和扭矩、软管的集中吊挂浮力等，在整体作业联动过程分析中，还包括采矿船和集矿机的运动载荷，以及布放回收作业中管线的运动载荷。扬矿管在海洋中受到波浪和海流联合作用的液动力载荷是扬矿管线主要的环境载荷，在海洋工程结构中属小直径管柱的流体动力问题。作者基于m o r i s o n 公式研究了波浪与海流联合作用下扬矿管液动力载荷计算方法，同时给出了在大型低噪声循环水槽中进行的1 0 0 0 m 海试系统中带附管扬矿管的流体动力系数试验方法和测定结果。3 在变形过程中伴随有大位移和有限旋转的空间管梁结构的几何非线性有限元分析方法有全拉格朗同法( t l ) ，更新拉格朗日法( u l ) 和随体旋转法( c r ) 等。研究分析了拉格朗日法与随体旋转法各自的特点，给出了r a n k i n 等推导的随体旋转法求解原理，并选用该方法求解扬矿管线的几何非线性问题。4 基于多体组合的扬矿管线有限元模型，采用静态分析方法对软管的空间构形进行研究，为扬矿管线系统布放回收和拖航作业过程动态分析提供基本参数。在软管空间构形的影响因素中，软管集中吊挂浮力配置方式对其水下空间构形的影响很大。在综合考虑软管空间构形、软管下端对集矿机作用力、软管下端偏转角度等多种因素基础上，研究了较优的软管集中吊挂浮力配置方案，包括浮力大小、配置比例、浮力体吊挂位置等。5 在布放回收作业过程中扬矿管线系统的结构形态和力学特性发生着快速变化，开展了扬矿管线布放回收过程数值模拟的探索性研究。针对布放过程中集矿机着底后管线系统的动态特性分析，建立了相应的有限元初始化模型，并对不同运动参数下布放作业中的管线形态和动态特性进行瞬态动力学分析。研究发现：较低的管线布放速度可以明显改善系统的动态特性；某些布放方式可能导致软管产生堆积缠绕现象，对此论文提出了相应的避免措施；管线回收作业的数值模拟过程基本上是布放作业过程模拟的逆过程，其动力学特性亦具有可比性。6 对多种运动参数下的扬矿管线作业联动特性和3 种典型连续轨迹的拖航作业模式进行了动力学分析，实现了扬矿管线系统在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷组合作用下时程变化的位移、作用力及应力的求解。研究表明：拖航速度越高，扬矿硬管偏转角度和中间仓的横向偏移越大，软管马鞍型形态畸变程度也相应增大；在低于0 5 m s 速度下拖航，中间仓的拖曳轨迹与采矿船运动轨迹基本一致，系统的跟随性较好。7 由于海试系统的软管布放长度会根据实际水深适当调整，且中间仓距海底高度随海底地形变化，因此以中间仓为中心，建立了集矿机动态安全域。将软管布放长度和中间仓距海底高度在其变化值范围内离散化，并根据有限元分析结果，建立了集矿机动态安全域参数实时查询表，可供作业监控系统实时调用。8 为了验证扬矿管线建模方法的正确性，采用一个与1 0 0 0 m 海试扬矿管线系统特征相似的拖曳水池实验模型，根据相同的管线建模方法建立了实验系统的有限元模型。选择有代表性的有流试验和无流试验两种实验测试结果与计算结果作比较，应力计算结果与实验测量结果相吻合。上述研究结果为深海多金属结核1 0 0 0 m 海试开采系统的设计及其作业规化提供了基本参数和理论依据，同时研究方法为类似海洋工程长管线作业系统的研究提供了思路。关键词：深海采矿，扬矿管线，空间构形，动态特性，几何非线性a b s t r a c tt h eg r a d u a le x h a u s t i n go fm i n e r a lr e s o u r c e si nl a n ds t o r eb e c o m e sa ni m p o r t a n tm o t i v ew h i c hp r o m o t e sm o r ea n dm o r ep o w e r f u lr e s e a r c ho no c e a nm i n i n g i ti sm a i nr e s e a r c ht o p i co ft h ed e e po c e a nm i n i n gt h a te f f i c i e n t l yc o l l e c t i n ga n dt r a n s p o r t i n gs y s t e mo fp o l y m e t a l l i cn o d u l ef r o mt h es e af l o o rt os u r f a c em i n i n gv e s s e li sn e e d e du n d e rc o m p l i c a t e di n f l u e n c eo ft h eo c e a ne n v i r o n m e n t ，i nt h em e a n t i m ew h i c hh a sh i g hr e l i a b i l i t ya n dc o m m e r c i a la p p l i e dv a l u e t h ec o l l e c t o r - p i p em i n i n gs y s t e ma sat y p i c a lc o m 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eb e a mm o d e lo ff i n i t ee l e m e n tm o d e lt os i m u l a t et h em a c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co ff l e x i b l eh o s e ，w h i c ht e n s i l er i g i d i t yw a sl a r g ea n db e n d i n gs t i f f n e s sw a ss m a l lr e l a t i v e l y t h ei n t e g r a ls y s t e mm o d e lo fm u l t i b o d yp i p e l i n es y s t e mw a se s t a b l i s h e d ，w h i c hc o n s i s t so fl i f t i n gs t e e lp i p e ，f l e x i b l eh o s e ，b u f f e rs t a t i o n ，p u m p ，e t c ak i n do fm e c h a n i c sm o d e lo ft h ei n t e g r a ll i f t i n gp i p e l i n ew a sa c h i e v e df o rt h ed y n a m i ca n a l y s i so ft h el a u n c h ，r e t r i e v a la n dt o w i n gp r o c e s si nd e e po c e a nm i n i n g 2 i nf e mm o d e lo fl i f t i n gp i p e l i n e ，t h ef o l l o w i n ge x t e r n a ll o a d sa r ec o n s i d e r e d ：g r a v i t y , b u o y a n c y , h y d r o d y n a m i cf o r c e s ，i n t e r n a la n de x t e r n a lf l u i dp r 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yf e m ，t h er e a l - t i m ei n q u i r yt a b l eo fs a f e t yd o m a i nf o rc o l l e c t o r sm o t i o n sw a se s t a b l i s h e df o rr e a l t i m em o n i t o rs y s t e mi no c e a nm i n i n g 8 a ne x p e r i m e n t a lm o d e li nt o w i n gw a t e rt a n kw i t ht h es i m i l a rc h a r a c t e r so fp i p e l i n es y s t e mi n10 0 0 ms e at r i a lw r i t sd e s i g n e dt ov e r i f yt h ef e mm o d e l i n gm e t h o d a n dt h ef e mm o d e lo fe x p e r i m e n ts y s t e mw a se s t a b l i s h e db ym o d e l i n gm e t h o d si n t r o d u c e db yt h i st h e s i s m e a s u r i n gr e c o r d so ft y p i c a lh y d r o d y n a m i ce x p e r i m e n ta n da n h y d r o u se x p e r i m e n tw e r eo b t a i n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fp i p es t r e s sw e r ec o i n c i d e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sb yc o m p a r i s o n c o n c l u s i o n so fr e s e a r c hi nt h i st h e s i sp r o v i d e db a s i cc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n dt h e o r yr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no fm i n i n gs y s t e ma n do p e r a t i o np l a n n i n go f10 0 0 ms e at r i a l a n di t sm e t h o d sc a l la l s op r o v i d er e f e r e n c e sf o rm e c h a n i c sr e s e a r c ho fl o n gp i p e l i n es y s t e mi no c e a ne n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：d e e po c e a nm i n i n g ，l i f t i n gp i p e l i n e ，c o n f i g u r a t i o ni ns p a c e ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，g e o m e t r i cn o n l i n e a rv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论文中作了明确的说明。作者签名：一三曼址日期：j 丝年上月孕日学位论文版权使用授权书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并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：至弛导师签名；鳓：丝年土月雩日中南人学博士学位论文第一章绪论第一章绪论介绍课题的来源及意义，对国内外深海采矿技术研究现状和深海采矿扬矿系统运动学与动力学研究的相关理论及研究成果进行综述。在分析课题研究现状和研究目标的基础上，确定论文的研究内容与研究方法。1 1 课题来源及意义课题源于国家“十五”深海技术发展项目“深海多金属结核开采虚拟现实研究 ( 项目编号：d y l 0 5 3 2 2 ；负责单位：中南大学，参加单位：中国船舶研究中心，清华大学，长沙矿山研究院，长沙矿冶研究院) 和“深海采矿系统作业水面监控中心 ( 项目编号：d y l 0 5 324 ，负责单位：中国科学院沈阳自动化研究所，参加单位：中南大学，长沙矿山研究院，长沙矿冶研究院) 。课题研究内容是上述项目的核心研究内容之一。海洋是人类开发活动所需的各种矿物资源的源泉。位于国家管辖海域以外的国际海底区域面积约为2 5 1 7 亿k m 2 ，占地球表面积的4 9 ，这一广阔区域蕴藏着丰富的矿产资源【l 】。据美国加利福尼亚大学梅罗教授提出的一份研究报告估算，世界各大洋多金属的储量约有2 3 万亿吨，仅太平洋就有1 7 万亿吨。多金属型矿物的深海结核，又称锰结核，直径一般为0 5 - - 2 0 厘米，广泛分布于水深4 0 0 0 , , 6 0 0 0 m 的海底，含有铜、钻、镍、锰、铁、钨、钛、钼、金、银、铂等7 0 多种元素，其中镍、钴、铜、锰的平均品位分别为：镍1 3 ，钻0 2 2 ，铜1 ，锰2 5 。据测算，分布在太平洋的锰储量达2 0 0 0 亿吨，相当于陆地上的5 7 倍；镍相当于陆地上的8 3 倍；铜相当于陆地上的9 倍；钴相当于陆地上的5 3 9 倍1 2 ，3 】。深海多金属结核是人类将来可以利用的矿产资源，因此陆地上矿物资源储备的逐渐枯竭是进行愈来愈强有力的海洋采矿研究的一个重要动机。不同的海洋矿物资源开采需要相应的开采技术和装备，自2 0 世纪6 0 年代以来，一些西方发达国家和国际财团相继投巨资用于深海多金属结核矿床的勘探、采矿技术及选矿工艺的研肃i 。四个国际财团( o m i 、o m a 、k c o n 、o m c o ) ，它们分别由美国，加拿大，比利时，意大利，德国，英国，日本及荷兰等西方国家合作组成，对海洋多金属结核采矿系统进行了大量的研究与试验1 4 j 。美国、日本、德国、法国、加拿大、俄罗斯、挪威、印度、韩国等相继设立了国家级的海洋采矿研究机构，把占有和开发国际海底资源视为国家海洋战略的重要组成部分，已形成多种开采系统并进行过数次海洋试验1 5 6 】。1 9 9 0 年4 月，经国务院批准，“中国大洋矿产资源研究开发协会成立，负中南大学博士学位论文第一章绪论责组织、协调我国在国际海底区域的研究开发活动，维护国家开发国际海底资源的权益，并向联合国海底管理筹委会申请矿区登记。1 9 9 1 年3 月中国在国际海底管理局和国际海洋法法庭筹备委员会登记注册为国际海底开发先驱者，并分配到1 5 万平方公里的国际海底区域1 2 j 。1 9 9 9 年3 月5 日，在完成开辟区5 0 区域放弃义务后，我国在上述区域获得7 5 万平方公里具有专属勘探权和优先商业开采权的金属结核矿区，在“蓝色圈地”运动中维护了我国的权益【7 1 。中国大洋多金属结核开采技术研究始于2 0 世纪8 0 年代，我国政府将大洋矿产资源开发作为国家长远发展项目给予专项投资。经过2 0 余年的努力，已确定了具备自主知识产权的开采系统方案，完成了部分关键部件与样机的研制，进行了实验室试验，并于2 0 0 1 年在云南抚仙湖进行了1 3 5 米水深的湖试，验证了该系统的可行性【8 j 。由于湖试水深与实际大洋采矿水深相差甚远，无法构成整体深海开采系统，而且内陆湖泊的实验环境无法反映实际开采作业的海洋环境1 9 l 。为了更好地考察中国大洋采矿系统的能力，完善大洋采矿系统的设计，需要进行1 0 0 0 m 水深的大洋多金属结核开采系统试验。1 0 0 0 m 海试的工程系统与作业条件都极为复杂，其工程投入资金巨大，为保证海试成功的可能性，因此在实际海试开始之前需要进行中国大洋1 0 0 0 m 海试系统及相应海试作业过程的计算机模拟与分析研究。受中国大洋矿产资源研究开发协会委托，中南大学，中国船舶研究中心，清华大学，长沙矿冶研究院，长沙矿山研究院等单位共同参与国家“十五”深海技术发展项目“深海多金属结核开采虚拟现实研究”。项目要求对1 0 0 0 m 海试采矿系统的海试作业开展计算机模拟研究，进行系统关键部件的强度分析和系统作业过程的运动学与动力学特性分析，完成系统稳定性与安全性评价，为系统设计提供理论分析结果，以降低海试风险，提高系统设计质量与海试成功的可能性。同时，将部分理论计算与分析研究结果融合到海试采矿系统水面监控中心的监控系统中，进行安全运行控制模式的研究和制定，为海试采矿水面监控中心提供可行的采矿系统整体监控策略【9 1 。此外，深海多金属结核分布于4 0 0 0 - 6 0 0 0 m 的海底，在复杂海洋环境因