（机械设计及理论专业论文）钴结壳和基岩的特性与模拟研究.pdf

中南大学博士学位论文 摘要 l ( 随着陆地至主途婆的日趋枯竭和人类对海洋认识的日益深化，许多国家越来越重视 海、洚资源的开发和利用，并把开发和利用海洋资源箨为基本国策，二十一世纪将是“海泞 经济时代”，大洋采矿是海洋资源开发的前沿。y 深海富钴结壳是一种生长在水深5 0 0 3 0 0 0 m 平坦海山山坡上，富含有钴、镍、银、铜、 金、铂及稀土元素的多金属矿石，具有巨大的经济价值和重要的战略意义，是目前大洋矽 产资源研究开发的热点。由于深海环境的复杂性，目前锸结壳采集模型机的实验研制主 要采用地面模拟试验进行。地面模拟实验采用人工模拟钴结壳材料作为模型机的工作列 壳固一液界面上存在许多排列呈准有序形态的山丘状凸起结构，具有非常明显的分形图 案，且这种形态有遗传性。而钴结壳一基岩界面则因基岩类型不同而表现出不同的形态， 结壳沿柱体生长方向实际上是垂直于柱状体的分层壳体叠加的结果，揭示了钴结壳特礼 的力学行为特性的微结构本质。 ( 2 ) 利用应力波理论研究了钴结壳基岩界面对应力波的响应特性，结果表明界面_ j 将出现最大应力，钴结壳一基岩界面将是一个剥矿时的最弱界面，揭示了在应力波作用下 结壳与致密基岩具有良好分离特性的物理本质，据此提出采掘头剥矿深度可小于结壳厚 度以减少贫化及模拟料界面制作原则。 ( 3 ) 利用实验的方法，得到了钴结壳基岩样品的物理力学性能参数，并从理论上证明 在取样速度不大于1 0 m s 时海水压力的变化对样品的力学性能影响不大。 ( 4 ) 利用深海样品较系统地研究了钴结壳下伏基岩内部的裂隙形态，从已有样品结县 可将基岩内部裂隙形态分为二类：( a ) 网状裂隙分形；( b ) 树枝状分岔分形，揭示了钴结，毫 下伏基岩力学特性的内在本质。 、( 5 ) 利用g r i 茁t h 理论和分形理论的思考方法，构造了岩石破裂理想分维模型，揭示_ 钴结壳、基岩强度尺寸效应的物理本质，并在此基础上提出了预测海底钴结壳、基岩可能 的最高抗压强度的方法，并利用实验结果，推论海底钴结壳下伏基岩抗压强度不超过 1 0 0 m p a ，钴结壳抗压强度不超过2 1 m p a ，并从其它方面引证了这个结果。 ( 6 ) 根据钴结壳、基岩样品力学参数的随机特性，提出了用样本预测总体的频率设计 方法，并根据实际特点，选用p ( ) 曲线为理论特性曲线，利用已有的样本数据计算表明， 海底钻结壳下伏基岩抗压强度高于8 l 蜘) a 的概率小于万分之一，钴结壳抗压强度高于 2 2 3 m p a 的概率小于万分之一，并在以上工作基础上提出了模拟材料的制作准则。 ( 7 ) 建立了模拟实验时模拟材料所必须满足的相似比尺及理论方程，从理论上阐明模 拟实验时应同时满足的几个主要准则，建立了模型试验结果与原型之间的反演方程。 1 中南大学博士学位论文 ( 8 ) n m 模拟材料进行了模拟实验，并利用模拟实验结果反演了原型机所必须的切堵0 功率，力矩等，获得了预期的效果。 关键词：大洋矿产；深海采矿；钴结壳；模拟桫料 v ， 2 中南大学博士学位论文 w i t hl a n dm i n e r a lr e s o b e i l l gu s e du pb yh u m a nb e i n g s ，w eu n d e r s t o o dt h eo c e a nm o r e a n dm o r e t o d a ye x p l o i t i n ga n d 峨t h eo c 取坤u 脯i sb e 吨a t t a c h e di n o l ea n di l l o l ei m p o r - t a n e et om a n yc o u n t r i e sa n dh a sb e e nt a k e n8 bab a s c in a t i o n a lp o l i c yb ym a n yc o u n t r i e s ，t h e2 1 e - e n t u r yw i l lb et h ea g eo fo c 啪e c o r 帕m y ，a n d “搿阴记m i f i i n gw a st h ef o r e l m m lo fo c e a nh i g h t e c h a n dt h ep i o n e e r s p o tf o re x p l o i t i n gn m o u t e e 6 d e e p 一8 c ac o b a l te n r i c h i n gc r u s ti sap o l m m t a l i cm i n e r a l 佃蛐s p r e a d e da tf l a ts e a m o u n t s r a n g e df r o m5h u n d r e dt o3t h o u s a n dm e t t m ；，w h i c hi sa b u n d a n tw i t hc o b a l t ，a r g e n t i n e , c o p p e r ， g o l d ，p l a t i n u m ，a n t i m o n y ，l a n t h a n u ma n db ou n b e c a u s eo ft h eh u g ee c o n o m i ci m p o r t a n c ea n di m p o r m n tt a c t i cs i g n i f i c a r m e ，c o b a l tc r u s th a sb e e nah o t , s p o ti nt h ei n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c ho fo c e a n i cp o l y m e t a l l i cm i n e r a lh 粥o l l r c e s b e c a u s eo ft h ed e e p s e ae n v i r o n m e n tc o m p l e x i t y ，w ec a no n l y n l a k eu s eo fa n a l o g u em o d e le x p e r i m e n ta n dt h et e c h n o l o g yo fd i g i t a ls i m u l a t i o nt os t u d yc o l a l tc o l - l e e t i or 1m t x l e le q u i p m e n to nl a n d ，s i m l l l 血o nm a t e r i a lf o rc o l a l tc r u s ti sc u tb ym o d e lc u t t i n gh e a do j c o b l a tc r u s t t h er e s u l to fm o d e le x p e r i m e n tw i l lb eu s e dt ov a l u ea n do p t i m i z et h ec u t t i n gh e a d t h e s t u d yo fs i m u l a t i o nm a t e r i a li sak e yf o r c o b a l tc o l l e c t i o nm o d e lk e yt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tr e s e a r c h i nt h 章p a p e r ，t h eb a s i cq u e s t i o n sf o rs i n m a f i o nm a t e r i a ls u c h8 , si n t e 如m i c r o g r a p h sa n d s t r u c t u r e ，i n t e r f a c em e d m n i c a lb e 妇耐o ra n di n t e r f a c ed e p o s i o f c o b a l tc l x l s ta ms t u d i e db yt h eu s eo f t h et h e o r i e so fd l a ，h a c t a lm e c h a n i c a la n dt h ep r i n c i p l e so f i n t e r f a c ep h y s i c s 、i n t e r f a c ec h e m s t r y 、i n t e r r a c em e c h a n i c s t h er e s u l t sw eh a v eg o ta 船f o l l o w s ( 1 ) 。f h es e m 、o mi su s e dt os t u d yt h ei n t e a x , a e em o r p h o l o g i e so f c m s t s u b s t r a t ea n dc r a s t l i q u i d ，w i t ht h ef i n d i n gt h a tt h e me x i s tq u a s i o n i e r e d “t i p s ”( t a l lc o n i c a lh i l l o c k s ) o ht h es u l _ f a c eo ft h ec r e s t l i q u i da n dt h em o i p h o f o g l e so f 吐i st i p sh a v ef r a e t a lc h a r a c t e r i s t i c sw h i c hc a l lb t g e n u si nt h ec o l l p s eo ff o r m a t i o na n dt h a tt h ei n t e r f a c em i c r t 镕t m c t u r eo fc r u s t s r o c kv a r i e sw i t ht h t ! s u b s t r a t er o c k t h ec o b a l t c r u s t sf o r m a t i o nd i r e c t i o na l o n gt h et i pi st h er e s u l t so fl a y e rc r u s t s a d d i n gl a y e ro v e ra n o t h e rw h i c ha r ev e r t i c a lt a l lc o n i c a lh i l l o c k s ，i n d i c t i n gt h em i c r o s 咖c t u r em e c h a n i s mo fc o b a l tc r e s tm e c h a n i c a lb e h a v i o r ( 2 ) t h es 潞w a v et h e o r yi su s e dt oa u d yt h es t r e s se f f e c to f c r u s t s u b s t r a t er o c k ，w i ht 】e r e s u l t st h a tt h ei n t e r f a c eo fc r u s t r e e ki sab r e a k i n gp h n ew i t ht h eg l _ e a t e s ts t r e s so nt h ei n t e r f a c e ( f c r u s t r o c k ，i n d i c a t i n gt h a tt h ei n t e r f a c eo fc r u s ta n ds u b s t r a t er o c kh a sav e r yg o o db r e a k i n ge h a ：一 a c t e r i s t i cu n d e rt h ee f f e c to fs t r e s sw a v e sh e n c e 。w ep r o p o s e st h a tt h ed e p t ho fc u t t i n gc a nb e1 e 、s t h a nt h ec r u s tl a y e ri n o r d e rt od e c r e a s ed i l u t i o na n dp r o p o s e st h em a k i n g 咖i eo fs i m u l a t i o nn l k k t e r i a li n t e r f a c e ( 3 ) t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp 哪衄吼哪o fc o b a l t c r u s ta n ds u b s t r a t er o c ka y eo b t a i n t 、d t h r o u g he x p e r i m e n t t h ef a c tt h a tt h ev a r a u o no ft h e 啪一w a t e rp r e s u r eh a v e1 1 0g r e a ti m p a b to n t e c r u s tm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fd e e p 一瞄t a r - a p l e ss a t h e dw i t ht hv e l o c i t yo fl e s st h a nl o m si s v e r i f i e di nt h e o r y ( 4 ) t h ef r a c t a lc h a r a c t e r i s t i c eo f 五龇ei nt r a b s t r a t er o c ko fc o b a l tc m s ta f s t u d i e do nt h e 3 中南大学博士学位论文 b a s e ( ff r a c t a t h e o r yb yt h eu s eo fs a m p l ef r o md e e p s e a t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef i s s u r en e t w o r k o fl k ( ：a l lb ec l a s s i f i e di n l ot w og r o w p s ：( a ) p o l y g o nt i s s u l l e ；( b ) b r a n c hf i s s m e t h ep a p e rd j s ( l i s s e sl h pf i s s u r em e c h a n i s mo fs u b s t r a t er o c km e c h a n i c a lb e h a v i o rc h a r a c t e r i s t i c s ( 5 ) t h ei d e a lf a c t r a lm o d e lo fl d c kb r e a k i n gi sp l q ) o s e dh a s o d 。ng r i f f i t ht h e o r ya n df r a c t a l t h e o r yt h ep a p e rd i s c u s s e st h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo fs c a l ee f f e c t so i lt h es t m g t ho fc o b a l t tn l s t a n ds u b s t r a tr o c ka n dp a p e rp r o t x t s e st h eb e s tr m t h o dt of o r e c a s tt h eg r e a ts t m n g t ho fr o c ka n dm u s t t h m u i g he x p e r i m e n tt h er e s u l ti si n f e r r e da n dv e r i f i e di ns m l o t h e rw a y st h a tt h ed 。o fs u b s t r a t er o c k i sl e s st h a n1 0 0 m p a ，a n dt h eo 。o fc o b a l t 咖髓i sl e s st h a n2 1 m p a ( 6 ) t h ef r e q u e n c ed e s i g nm e t h o df o rc o n 删v e 曲喇o fr o c ka n dc r e s ti sp r o p o s e db s e d o nt h er a n d o mc h a r a c t e r i s f i c so fm e c h a n i c a lp a r a m e t e r 8o fr o c ka n dc r u s t t h ep ( ) e l l r v em o d e li s u s e dt oc a l c u l a t et h ed e s i g nv a l u e ，w i t ht h er e s u l tt h a tt h ep r o b a l i l i t yo fr o c ko 。， 8 1 m p ai sl e s st h a n 0 0 1 ，t h ep r o b a b i h t yo f c o b a l tc r u s to c i _ 2 2 3 m p a i s l e s s t h a n 0 o l ，t h e m a k i n gp r i n c i p l e o f s i m u l a t i o nm a t e r i a l si sp r o r 脚ab a s e do i lt h e 自e q u e n c ed e s i g n ( 7 ) t h ea n a l o g u et h e o r yf o rm o d e le x p o f i m e mi sp r o p o s e da n dt h em a i np d n e i p l e sn e e & 、di n t h ec o u r s eo fm o d e ls i m u l a t i o na mp u tf o r w a r d t h ei n v e r s ee q u a t i o nb e t w e e nt h em o d e la n do r i 撕n a l p a t t e mi sd e v e l o p e d 、 ( 8 ) a n a l o g u em o d e ls i m u l a t i o na l ec a r r i e do u tw i t hs i m u l a t i o nm a t e r i a l sa n dt h el x e s u l t so it i l o d e le x p e r i m e n ta l eu s e dt oi n v e r s et h eo r i g i n a lp a t t ma n dt h ea n t i c i p a t e de f f e c ti so b t a i n e d k e yw o r d s ：o c e a n i cm i n e r a l s ；d e e p s e am i l l i n g ；c o b a l tc r e s t ；s i m u l a t i o nm a t e r i a l s 4 中南大学博士学位论文 第一章绪论 第一节课题研究背景和深海采矿研究开发现状及特点 i i i 研究背景 物质资料生产是人类社会存在和发展的先决条件。近几十年来，世界人口猛增，导致 食物、能源、原材料消耗的急剧增加，使资源日趋短缺和桔竭。因此，世界各国尤其是发达 国家把注意力转向海洋，向海洋获取资源。开发和利用海洋资源是人类社会发展需求新资 源的必然趋势。当今世界越来越重视海洋资源的开发利用，许多国家已经把开发利用海 洋资源作为基本国策；许多著名的政治家、经济学家都预言，二十一世纪将是“海洋经济时 代”【i 、2 、3 1 4j 。这不是对海洋经济在未来社会的地位和作用的夸张，而是揭示了今后世界经 济发展的一个总趋势。 覆盖地球表面7 0 以上的海洋是人类拥有的巨大资源宝库。不用说海洋的生物资 源、丰富的海底石油和天然气、海洋潮汛能、波浪能、海洋热能以及盐度差能等【3 、4 。、6 j ，光 是锰钴结核储量，据不完全估计，整个大洋底估计就达3 万亿吨，仅太平洋就1 7 万亿吨， 其中含有镍伪4 亿吨，铜8 8 亿吨，钴5 8 亿吨，锰4 0 0 0 亿吨，这些金属可供全世界使用几百 年以l 二b 、6 、7 、8 “。钴结壳贮量目前尚没有完全调查清楚，但据已调查的结果来看，太平洋、 大西洋和印度洋中都分布有大量的钴结壳矿藏o 其中，仅太平洋西部火山构造隆起带上， 钴结壳的贮量即达到数亿吨，夏威夷群岛一约翰斯顿环礁专属经济区内有3 亿吨以上，麦 哲伦海山数亿吨，中太平洋海山、马绍尔群岛、南太平洋法属波利尼西亚群岛、莱恩群岛、 库克岛等群岛的钴结壳贮量也非常巨大“m 、廿“、1 6 ”“。 根据专家预测，本世纪中叶有可能进入钴结壳商业开采阶段n 文“。8 、1 ”。我国人口众 多，矿产资源人均占有量远低于世界人均水平，陆地铜、镍、钴、锰4 种金属的工业储量远 远不能满足国民经济建设的需要n 、2 “j 。根据她矿部和原有色总公司向国家提交的我副 主要有色矿产资源对2 0 1 0 年国民经济建设保证程度论证报告( 1 9 9 6 ) ，对铝、铜、铅、锌、 钨、钼、镍、锑、钴、稀土、银和铂族金属等1 3 种矿产资源保证程度划分为4 类，如表1 1 所示1 ： 襄1 12 0 1 0 年1 3 种有色金属资藩保证程度分类衰 类型资源保证程度金属名称解决途径 1 短缺钴和铂族金属进口解决 2不能保证 铜、镍、银铜要长期进口补缺 3 基本保证铝 4 可以保证，并有部分出口铅、锌、钨、钼、锑、锡、稀型 从表中可以看出，到2 0 1 0 后，我国主要有色金属矿产资源保证程度将相当紧张，资源 5 中南大学博士学位论文 形势严峻。然而，国民经济发展中9 5 的能源和8 0 的工业原料都来自矿产资源“它 对整个国民经济持续、稳定和协调发展有着全局性的重大影响。 1 9 9 0 年8 月，中华人民共和国向联合国国际海底管理局筹委会递交了“关于将中国大 洋矿产资源研究开发协会登记为先驱投资者的申请书”，并于1 9 9 1 年3 月获批准，使我国 在太平洋中部c c 区获得了1 5 1 0 4 平方公里的开辟区，成为继印度、俄罗斯、日本、法国 之后的第五个先驱投资者。在“九五”研究成果基础上，中国大洋矿产资源研究开发协会， 启动了国际海底区域研究开发“十五”项目，中南大学，长沙矿山研究院，长沙矿冶研究院， 共同承担了深海资源开采技术项目( 编号：d y l 0 5 0 3 0 2 一o l ，课题名称：钴结壳采集模 型机关键技术及装备研究) 。模拟钴结壳的制作是该课题的一部分工作。 1 1 2 深海采矿研究开发现状 在过去二、三十年的研究开发过程中，一些国家提出并试验过多种开采方案，主要有 以f 几种、2 、3 、”、2 8 、嚣、3 0 、3 1 、3 2 、3 3 ) 。 连续绳斗式( c l b ) 开采系统b “圳 这种系统起源于日本，美国、法国和英国也进行过研究。其基本原理是在一根绳索上 每隔2 5 5 0 m 连结一个挖斗，绳子两端分别固定在采矿船船首和船尾的卷扬机上( 单船 式) 或两只船上( 双船式) 。 自动穿梭式采矿车采矿系统【3 “圳 该系统由多台自动穿梭式采矿车进行矿石的采集和提升。采矿车能在海中自由运行 并深潜到海底，下水前采矿车装满压舱物，然后自动潜入海底采集多金属结核。采满后， 弃掉压舱物，上浮到一个半潜式的水下平台，把多金属结核卸在平台上，然后再装上压舱 物重新潜人海底。 集矿机加管道输送采矿系统b “剐 该系统由集矿机、输送软管、中间矿仓、扬矿管及采矿船等组成。集矿机在海底采集 多金属结核，采集的多金属结核在集矿机内清洗脱泥后，经软管输送到连接于刚性扬矿管 下端的中问矿仓，然后多金属结核经扬矿管扬送到海面的采矿船上。集矿机有自动行走 式和拖曳式两种形式。扬矿方式有水力提升、气力提升和轻介质提升3 种。 1 1 3 主要设备研究 1 、2 、3 、3 “”。 集矿机5 、3 2 、”“矧 集矿机的功能应包括行走、多金属结核采集、结核与沉积物初步分离等。接其行走方 式可分为拖曳式和自行走式两种f 5 。3 。 拖曳式是采矿船通过扬矿管拖动集矿机行走。行走装置由滑板、水中稳定翼及浮力 箱组成。滑板是为了减轻海底拖航时接地压力，同时确保海底拖航时安全行走。水中稳 定翼是在集矿机下降和收起时稳定集矿机姿势的装置。浮力箱与滑板一样，一方面可减 轻其接地压力，同时在海底拖航时可降低重心位置，防止倒转。 法国自1 9 8 0 年开始海底遥控车采矿系统的研究开发，遥控车由集矿机构，自行推进 机构，浮力控制和压载四大部分组成。至1 9 8 9 年完成了生产能力为6 0 0 t h 的集矿机、开 采深度5 0 0 0 m ，4 台矿浆泵安装在9 0 0 1 2 0 0 m 处，每台泵6 级，扬矿能力5 0 0 t h ，提升浓度 1 2 。 6 中南大学博士学位论文 德国自1 9 7 2 年开始海洋采矿技术研究，主要研究单位有t h b t i s 公司、柏林水利工秸r 与船舶研究所和汉诺威大学等。经过2 0 多年的实验研究，在水力式和复合式集矿机构 自行式履带车的研究方面很有成就，至1 9 9 3 年已研制出两种第二代集矿机。 1 9 7 8 年，美国海洋管理财团在太平洋矿区按1 4 1 5 工业生产规模进行了海上采司 中间试验并获成功，从而奠定了流体提升采矿法的技术基础m 3 、嚣 。 扬矿系统”。” 扬矿系统主要由主管道、软管、提升泵、中继仓等组成。由于自重及泵组中继仓等重 力的作用，扬矿管承受很大的轴向载荷。同时受海流海浪作用产生横向偏移及纵向振动二 扬矿管上部承受最大载荷，为减少其受力，一般扬矿管上部外径放大，向下分成几段，外径 逐渐减小。 1 1 ，4 深海试采情况【“2 、3 、4 “8 。】 国际财团海洋管理公司o ，a t ( m a n a g e m e n th i c ) 于1 9 7 8 年在太平洋进行了多盘 属结核的试采活动。试采系统的采矿能力约3 0 t h ，扬矿高度5 0 0 0 m ，采到了1 0 0 0 t 结核。 国际财团海洋采矿公司o m a ( o c e a nm i n i n ga s s o c i a t e ) 于1 9 7 7 年、1 9 7 8 年用拖曳式 集矿试验气力提升系统。他们采用了一个日产1 2 0 0 t 的系统获得了5 0 0 t 结核。 国际财团海洋物产公司o m c o ( o c e a nm i n e r a l sc o m p a n y ) 于1 9 7 7 年1 1 月由美国、荷 兰的公司组成。试验了带遥控自进式集矿机( 采用阿基米德螺旋驱动行走) 和气力提升系 统。 肯尼柯特财团( k c o n ) 于1 9 7 1 年1 月由美国、英国、加拿大和日本的公司联合组 成。1 9 7 4 年下半年和1 9 7 5 年早些时候试验了拖曳式集矿机，没有进行系统试验。 日本自1 9 6 7 年开始进行c l b 采矿系统的开发，1 9 7 0 年在南太平洋水深3 7 6 9 m 的海 域进行了海上采矿试验，法国m e m o d 集团参加了系统试验”、4 j 。 多年研究与试验，人们已从成功和失败的经验教训中找到了一个共同的技术方向：比 较成熟丽高效的工业化深海采矿系统是自行式集矿机加矿浆泵管道提升系统“。 1 1 5 深海采矿的特点 水下采集系统：由于高压、低温、腐蚀性和缺氧，在深海底实现人工操作比较困难， 因此必需设计可靠性高，并有一定采矿效率的无人驾驶采集海底资源的系统，采集所需的 矿产资源； 输送系统或扬矿系统：将海底采集系统获得的矿产资源从几千米深的海底高效地 运送到海面上的运输船，矿物输送系统也是必不可少和非常关键的h “； 遥测遥控系统：高精度的遥测遥控技术是深海资源开发可行的基础与一定采集率 的保证，包括海底定位、测量等尖端的控测技术体系，如差分全球定位( d g p s ) 、超短基线 长基线水下定位、惯性导航和动力定位、多波束精密条幅探测技术以及它们的综合集成技 术。要想保证采集系统在海底能够正常的工作，获得较高的开采效率，必需有一整套精度 非常高的遥测遥控系统，在作业过程中，工作人员借助遥控系统定位并指挥、调度海底采 集系统，对它实行在线状态监测o0 水面辅助支持系统：包括进行海底采矿所必需的设备、仪器、动力装置、定位系统、 导航系统、临时矿仓以及医疗、保险、提供工作人员住宿等的设施m j 。 7 中南大学博士学位论文 第三节物理模拟与模拟材料研究现状 “十五”期间钴结壳采集模型机的研究主要是在长沙矿冶研究院已建立的池试基地趟 行试验，检验模型机破碎头、行走、控制、集矿、输矿等系统的性能，并为中试样机的研制提 供必须的数据，为达此目的必须依据国内外钴结壳物理力学性能参数，特别是我国开辟区 钴结壳、基岩样品的物理力学性能参数，按一定的理论作指导，得到能相似模拟钴结壳，基 岩的人造材料进行池试，开展钴结壳破碎头破碎机理研究、采集设备研究，为模型机的设 计积累必要的数据，并按相关比尺反演原型机的设计参数。在“十五”期间模型机的性能 试验主要是用模拟钴结壳作为破碎集矿对象为依据。模拟材料研究，是模型机研制的 个非常重要的基础部分。 1 4 1金属塑性变形过程的物理模拟和模拟材料 以相似理论为基础的金属塑性变形过程的物理模拟方法，是理论与实践密切结合的 研究方法，是用方程分析法或因次分析法导出相似准则，并按相似原理建立与原型相似的 模型，通过模型实验求出相关参数之间的函数关系，再将此关系反演到原型上去，从而得 到原，趔现象规律的一种实验方法。或者简单地说是指在实验室条件下，用缩小的( 特殊情 况下也有放大) 模型进行现象研究的一种方法。 除物理模似外，还有数学模拟，数学模拟着重研究其系统在改变输入信息后，各物理 量变化对工作过程的影响，随计算技术的发展，数学模拟不断扩大应用范围，但物理模拟 仍具有广泛的应用，因为物理模拟能最大限度地反映出物理本质，具有直观性强的特点。 对于特大型金属件塑性成型的设计，物理模拟方法，可用较小的人力、物力和时间探 明复杂物理过程及物理化学过程内部规律，取得对所研究对象规律性的了解和所需要 的参数并建立起经验公式。模拟实验在国内外已引起各方面的重视，我国第一台一万二： 于吨水雎机在设计阶段就曾利用胶泥作工作对象进行模拟实验，为原型机设计提供必要 的设计数据，随后又先后制造了1 2 0 t 和1 2 0 0 t 两台模型机，最后才放大制成1 2 0 0 0 t 的原 型机【“ 。 金属塑性成型过程的物理模拟主要是利用塑胶泥、蜡质材料、铅和其它较软材料制作 模型试样，在室温或高温下进行。通过测量模型上网格的塑性变形的前后变化，以获取位 移场和应变场，并按相似理论确定的相似比尺反演实际金属塑性变形、应力场。世界各阔 都非常重视金属塑性加工模拟材料的研究，美、英和日本用塑胶泥材料来模拟塑性成型过 程，丹麦用蜡质材料研究塑性成型过程，前苏联开展了密栅云纹模拟技术的研究，我国也 在这方面取得了很大成果，建立了高温塑性变形过程模拟的相似理论，并在高温密栅板的 制作技术方面取得了突破，这些成果将为我国特大锻件成型奠定坚实的理论堰 础4 7 、“4 9 、” 。 1 4 2 金属凝固过程的物理模拟和模拟材料 金属凝固时固液界面上有非常复杂的物理现象，但由于高温原因，一直不能直接观察 金属凝固时的界面演化。但大量的研究表明n i - h c l 和n a 2 s o 水溶液或有机透明物质的 1 1 中南大学博士学位论文 e 凝吲过程和金属凝固过程相类似，可再现金属凝固过程中的许多重要的物理现象，由亍二具 有透明性并在室温范围内凝固，因而便于实验条件的控制和对凝固过程的直接动基观 测”1 ”5 ，正因为如此，通过水溶液模拟凝固过程大大深化了人们对界面生长、界面稳定 性、柱状晶等轴晶转变及宏观偏析等现象的认识，并将激光多普勒测速仪等先进测量手段 用于水溶液材料模拟金属凝固的研究。 连铸技术在现代钢铁生产中占有重要地位，在连铸中引入结晶器的振动，被认为是连 铸技术的一大革命“” ，振动改善了铸坯的润滑，避免坯壳的粘结和漏钢，但这种振动却会 使铸坯表面产生周期性的横向皱折进而在振痕的底部产生横向裂纹以及偏析等缺陷，为 了，探讨振痕产生的机理，在国家自然科学基金资助下文献“1 7 1 利用低熔点锡设计了连铸结 晶器弯月面处传热模拟实验。在实验过程中，通过加热管加热盒中的锡，使其熔化并控制 温度为4 0 0 ，通过锡液加热不锈钢块，启动水冷喷头喷水冷却紫铜块( 喷水量可调，k 温 为2 0 。c ) 一段时间后，在锡熔体一不锈钢块紫铜滑块一冷却水方向产生一稳定的温度 梯度，这个传热过程可模拟实际连铸生产中的液态钢水一初始凝固壳一结晶器壁一冷却 水系统中的传热。通过以上模拟实验，发现铸坯弯月处温度随结晶器的振动而产生周期 性的变化，并根据此认为，这种温度波动是导致铸坯表面缺陷产生的原因。基于此结论分 析了改善铸坯质量的方案。 在国家重点自然科学基金项目资助下，文献旧。以低熔点p b s n b j 合金作为高温钢 液的模拟材料，对谐波高频磁场作用下，方坯软接触电磁连铸结晶器内钢液的弯月面行为 进行热模拟实验研究。实验时，利用液态低熔点合金( 3 2 p b 一1 6 s n 一5 2 b i ( 质量分数c 彩) ， 密度为9 5 0 0 k g m 3 ，熔点为9 4 ) 作为高温钢液的模拟材料，将其盛装在横断面尺寸为 1 0 0 r a m 1 0 0 r a m 的非导电石英玻璃容器中，利用感应线圈产生频率为2 0 k h z 的高频交变 磁场，并使之作用液态金属弯月面区域，以此研究方坯软接触电磁连铸结晶器内钢液弯月 面的行为特征。通过模拟实验得到了许多有益的结果。 双辊薄带连铸被认为是生产厚1 6 r r m a 薄带最有前途的一种近终形连铸技术，i j 前 该技术日趋成熟，接近实现工业化，急待解决的关键问题是如何进一步保证薄带质量和浇 注工艺顺利进行。在国家重大自然科学基金项目的资助下，文献“”3 根据1 6 0 0 。c 钢液n 勺运 动粘性系数与室温下水的粘度相近似的结果“”1 直接选用水作为模拟高温钢液的工质，按 相似理论确定的准则设计了双辊薄带连铸机动态物理模拟实验装置，研究了相关参数对 熔池液面波动的影响，为优化双辊薄带连铸机的结构尺寸提供了依据。 1 4 3 生命学科中的模拟材料 胆结石是一种常见和多发病、胆固醇结石和多种结石的剖面常常可以观察到周期性 环状的多层结构，通过显微镜可见这些环形结构是由小的花状分形结构的团簇组成，从 1 9 8 9 年开始人们利用金属离子一脱氧胆酸d c ( 或胆酸钠c ) 材料作为模拟结石体外 生长的模型。对结石生长过程的化学、物理现象进行了较深的研究，得到了许多有意义的 结论。有广泛使用的c t 系统研制过程中，模拟人体材料起了一个非常重要的作用，人体 不同组织对射线的响应是不同的，利用这种不同就可进行检测，但人体长期接受幅射将引 起严重后果，为此发展了用各种人造材料满足不同人体组织对射线的响应，并以此材料制 造人体，用于核成像系统的研究并获得了巨大成功阻渤 。 1 2 中南大学博士学位论文 1 4 4 岩土力学中的物理模拟和模拟材料隅、5 7 、5 “”刮 我国著名岩石破碎学家徐小荷曾提出按相似原理设计，模拟破岩机具和模拟材料进 行破 机理研究，为在室内再现地下工程中岩爆的这一动力现象，东北大学徐小荷通过大 量试验研制= r 几种冲击性较强的模拟材料在实验室内再现了岩爆的动力过程，并记录r 岩爆的位移突变这一特征，所得结果与现场实际相吻合，这一成果再次表明模拟材料在物 理模拟实验中的重要作用。中国矿业大学等单位，近几年在国家自科基金，煤炭基金资助 下，利用相似材料模拟了地下开采后岩体移动的界面效应，利用相似原理设计了人工冻结 土体模拟了立井筒冰结时冻土的承载能力和变形性质；利用相似原理建立土岩爆破的相 似准则，利用模拟材料建立了爆破试验的模型，开启了一种科学试验的思路。 三峡永久船闸高边坡岩体为发育多组节理的闪长花岗岩。在船闸高边坡开挖过程 中，将使用系统锚杆加固。为使系统锚杆的布设在充分保证船闸高边坡长期稳定的前提 下尽可能地节省工程投资费用，在国家自然科学基金委和三峡工程开发总公司联合资助 下，义献”利用室内相似材料研究了在不同的布锚参数下三峡船闸高边坡节理岩体的抗 压强度，弹性模量等力学性质的变化规律，为锚杆群的布设方案和参数设计提供依据。在 实验中选用石膏、重晶石粉、细砂和水的混合材料制作模型块，测得模拟材料的单轴啡= 4 0 7 m p a ，e = 1 1 g p a ，v = 2 3 9 i 异e m 3 ，该材料大致符合相似的要求。选用模型锚杆时，作为 一种尝试，根据e 。s d e 。s m = g 1 2 c 。来选用e = 5 4 6 m p a ，忆3 m m 的塑料棒作为钢质锚桐 的模拟料。模型制作时先将模型混合料均匀混合，然后倒入特制的钢模中，将薄钢片按事 先画好的节理布置图位置插入，待试件硬化后，将锚杆布置在予定位置用怕m m 钻头钻 7 l ，然后向孔内灌浆，立即插入锚杆，待浆液硬化后再放人主烘房中干燥即可进行试验。、 岩爆现象又称冲击地压，是岩土工程中严重的自然灾害，世界上各主要采矿国家都列 岩爆进行了大量研究，在岩爆机理与工程防护方面取得了卓有成效的成果。b u r g e t 等”越 采用环氧树脂加3 5 的硬化剂，研制出了模拟岩爆的相似材料，可在压力机上定性 演示煤柱岩爆。潘一山等 1 2 1 根据李雅普诺夫稳定性理论研究了地下岩石结构系统对干 扰的响应特性提出了模拟岩爆的新相似系数e x 。指出不同e 的材料可模拟不同类 型、不同震级的岩爆。并研制了以松香为粘结剂的模拟岩煤过程的相似材料。试验中采 用的松香膨润土( 2 ：1 ) 材料的物理力学参数为：仉= 6 0 m p a ；e = 7 4 0 m p a ，e x = 7 8 ；v = 2 0 4 9 ( m 3 ；松香重晶石材料物理力学参数为：吼= 1 3 m p a ；e = 6 6 2 m p a ；e x = 1 0 3 ，v = 2 4 8 9 e c m 3 。石膏一砂一松香材料( 比例为砂：石膏水：松香：酒精= 7 8 ：8 ：2 ：3 ) 物理力学参数为q = 1 2 4 m p a ；e = 3 5 6 m p a ；e x = 1 4 3 ，v = 1 5 0 9 e r a 3 。利用以上相似材料研究了岩石= 】 i o o m p a ；几何比尺1 1 0 0 ，不同类型的岩爆试验，证明了所用相似材料的实用性。 为了对露天采煤机工作装置的技术参数和基本结构提供设计依据，王启广”圳利用相 似原理设计了模型实验系统，并用水泥、石膏和烟道灰制作了能模拟抗压强度为2 3 m e ， 的煤和4 0 m p a 的岩石模拟材料。试验结果表明，采用模拟试验可以预测实际滚筒截割到 的载荷，是一种高效经济的方法，可提高设计的准确程度和可靠性。 放顶煤开采法于1 9 8 4 年在我国试验成功，1 9 9 4 年兖州矿务局兴隆庄矿综放一队创造 了年产2 7 2 1 0 4 t 的纪录，标志着放顶煤开采进入了成熟阶段，白义如n 矧等利用相似材料 1 3 中南大学博士学位论文 按儿何比为l ：3 0 ，容重比为1 ：1 6 7 ，时间比l ：5 4 8 ，强度比为l ：5 0 的相似模笃! 研究r 煤厚 为j 5 m 时的放煤效果。按几何比尺为l ：5 0 ，容重比为l ：1 ，时间比为l ：7 0 7 ，强度比为 1 ：8 35 的相似模型研究了煤5 层分3 层放顶煤的放煤效果j 受各分层间的放煤差异按几 何比j ：】o ( ) ，容重比】：1 6 7 ，时间比l ：】o ，强度比1 ：1 6 7 的楣似模型研究了煤5 层分二层放 顶煤的放煤效果。由国家自然科学基金资助的“厚煤层全商开采方法基础研究”重点项目 的研究过程中，以中国矿业大学( 北京) 吴键教授为负责人，谢和平、钱鸣高院士参加的课 题组采用分形理论、松散介质理论、数值模似、相似模拟等手段，从理论上明确指明了提高 综放采出率的方法和途径，完善了放顶煤开采工艺理论“。】。 第四节研究内容和意义 我国人口众多，资源匮乏，开发国际大洋钴结壳等矿j 虹资源对我国具有十分重要的战 略意义。由于深海环境的复杂性，地面模拟试验是目前钴结壳采集模型机的重要研究方 法之一，在地面模拟实验时，主要采用人工模拟料作为模型机的工作对象，按此评估优化 钻结壳采矿头的性能，并利用模型机实验的数据作为原型机设计的重要依据，模拟材料的 研制在整个项目中占有相当重