（机械设计及理论专业论文）深海采矿矿石输送软管浮力球壳设计研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 2 1 世纪是人类全面开发和利用海洋的世纪。占地球表面4 9 、约 2 1 2 亿平方公里的国际海底区域，蕴藏着丰富的战略金属、能源和生 物资源，其中包括锰结核和钴结壳等。随着陆地资源的日益枯竭和人 类对海洋认识的深化，国际海底区域逐渐成为各国关注的重要战略 目标。我国于1 9 9 9 年3 月最终圈定了7 5 万平方公里的大洋采矿“合 同区 ，加紧对深海采矿技术的研究，于2 0 0 1 年在昆明抚仙湖进行 了多金属采矿系统的综合湖上试验，于2 0 0 4 年1 1 月完成了1 0 0 0 m 海 上试验系统技术设计。 本文针对深海采矿系统输送软管的浮力材料进行研究。查阅我国 深海用浮力材料的有关文献发现，对其进行的研究还处于实验室阶 段，还没有形成系列产品，且在2 0 0 6 年8 6 3 专题课题申请计划中设 置了大深度浮力材料研究专题，对不同深度浮力材料的密度和强度提 出了一些技术要求。通过比较，本文提出用低密度、高强度的钛合金 和铝合金制成的空心浮力球壳为软管管道提供净浮力，使输送软管在 深海作业时形成良好的形状。 本文首先针对浮力球壳的实际情况，推导出其变形和内外力之间 的关系，并计算出满足大深度浮力材料密度要求的球壳参数。考虑到 浮力球壳在深海工作时其主要失效形式为屈曲，利用有限元软件对其 进行屈曲分析，并从不充气浮力球壳和充气浮力球壳两个方面进行研 究。对于不充气浮力球壳的屈曲分析，首先通过对实际球壳的简化和 有限元参数的比较，提出了一个合理的有限元分析模型；然后利用 a n s y s 的屈曲分析功能对一系列厚度半径比的浮力球壳进行分析，从 而得到满足要求的不充气浮力球壳密度范围和最大可潜深度。屈曲分 析过程中，考虑了初始缺陷、材料等因素对极限载荷的影响。为了提 高进一步浮力球壳的可潜深度，本文在最后一部分对充气浮力球壳进 行分析。通过比较，选择低密度的氦气作为空心球壳的高压气体，并 利用专门的氦气压缩机对球壳进行充气；利用与不充气浮力球壳同样 的有限元分析方法对充气浮力球壳进行分析，得到不同充气压强下满 足要求的球壳密度范围和最大可潜深度，并与8 6 3 大深度浮力材料技 术指标进行比较，得到了一些有价值的结论。 关键词深海采矿，浮力球壳，屈曲，有限元 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h e21s tc e n t u r yi st h ec e n t u r yo fd e v e l o p i n ga n de x p l o i t i n gd e e p o c e a n t h ei n t e r n a t i o n a lo c e a nb o t t o m ( a p p r o x i m a t e l y21 2b i l l i o ns q u a r e k i l o m e t r e s ) ，w h i c ho c c u p i e st h e4 9p e r c e n to ft h ee a r t hs u r f a c e ，c o n t a i n s r i c hr e s o u r c e ss u c ha s s t r a t e g i cm e t a l s ，e n e r g ys o u r c e sa n db i o l o g i c a l r e s o u r c e s w i t ht h er e s o u r c es c a r c i t yo nl a n da n dt h ee n h a n c e m e n to ft h e k n o w l e d g ea b o u tt h eo c e a n ，t h ei n t e r n a t i o n a ld e e po c e a nw i l lb e c o m et h e i m p o r t a n ts t r a t e g i ct a r g e tg r a d u a l l y i nm a r c h19 9 9 ，c h i n ao b t a i n e dt h e o c e a nm i n i n g c o n t r a c ta r e a s ”o f7 5 ，0 0 0s q u a r ek i l o m e t r e s i n2 0 0 1 ，o u r c o u n t r yc o m p l e t e dt h el a k et e s to fd e e ps e am i n i n gs y s t e mi nt h ef u x i a n l a k e ，a n di nn o v e m b e r2 0 0 4 ，c o m p l e t e dt h et e c h n i c a ld e s i g no ft h e1 , 0 0 0 ms e at e s ts y s t e m t h i sp a p e rm a i n l yd o e sr e s e a r c ha b o u tt h eb u o y a n c ym a t e r i a li nt h e d e e ps e am i n i n gt r a n s p o r t i n gs y s t e m i ti sf o u n dt h a tb u o y a n c ym a t e r i a l u s e di nd e e ps e ai ss t i l li nt h el a b o r a t o r ys t a g e a n di n2 0 0 6 ，8 6 3t h e m a t i c t o p i c sp l a ns e tu pag r e a td e p t hb u o y a n c ym a t e r i a lt o p i c b yc o m p a r i s o n ， t h ep a p e rp r o p o s e sah o l l o ws p h e r i c a ls h e l l ，w h i c hi sm a d eb y l o w d e n s i t y , h i g h s t r e n g t ha l u m i n i u ma l l o ya n dt i t a n i u ma l l o y , t op r o v i d eb u o y a n c y f o rd e e ps e at r a n s p o r t i n gs y s t e m b a s e do nt h ea c t u a ls i t u a t i o no fb u o y a n c ys p h e r i c a l s h e l l ，t h e r e l a t i o no fi t sd e f o r m a t i o na n df o r c ei sd e r i v a t e d a n ds p h e r i c a ls h e l l u i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t p a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fg r e a td e p t h b u o y a n c ym a t e r i a l w h e nt h eb u o y a n c ys p h e r i c a ls h e l lw o r k si nd e e ps e a ， i t sf a i l u r em o d ei sb u c k l i n g t h er e s e a r c hi sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：n o i n f l a t a b l ea n di n f l a t a b l eb u o y a n c ys p h e r i c a ls h e l l a sf o rn oi n f l a t a b l e b u o y a n c ys p h e r i c a l s h e l l ，b ys i m p l i f y i n gs h e l la n dc o m p a r i n gv a r i o u s f i n i t ee l e m e n tp a r a m e t e r s ，av a l i d a t e dm o d e lw a se s t a b l i s h e d u s i n g a n s y sb u c k l i n ga n a l y s i sf u n c t i o n ，t h eb u o y a n c ys p h e r i c a ls h e l l sw i t h d i f f e r e n tt h i c k n e s s - r a d i u sr a t i oa r es t u d i e d a n dt h ed e n s i t ya n dt h e u l t i m a t ed e p t hm e e t i n gr e q u i r e m e n t sa r eo b t a i n e d i nb u c k l i n ga n a l y s i s p r o c e s s ，s u c hf a c t o r sa si n i t i a ld e f e c t s ，m a t e r i a la r ec o n s i d e r e d i no r d e rt o i n c r e a s eu l t i m a t ed e p t ho ft h eb u o y a n c ys h e l l ，i nt h ef i n a lp a r to ft h i s p a p e r , i n f l a t a b l eb u o y a n c ys p h e r i c a ls h e l l i sa n a l y s e d b yc o m p a r i s o n ， l o w d e n s i t yh e l i u mi sc h o s e na sh i g h p r e s s u r eg a si nt h es h e l l ，a n di s i n f l a t e d i nt h es h e l lu s i n gh e l i u mc o m p r e s s o r t h ei n f l a t a b l eb u o y a n c y s p h e r i c a l s h e l li s a n a l y s e du s i n gt h es a m em e t h o da s n oi n f l a t a b l e b u o y a n c ys p h e r i c a ls h e l l a n dt h ed e n s i t ya n dt h eu l t i m a t ed e p t hm e e t i n g r e q u i r e m e n t sa r eo b t a i n e d b yc o m p a r i n gr e s u l t so fs p h e r i c a ls h e l la n d s p e c i f i c a t i o n s o f8 6 3g r e a td e p t hb u o y a n c ym a t e r i a l ，s o m ev a l u a b l e c o n c l u s i o n sa r ed r a w n k e yw o r d s d e e ps e am i n i n g ，b u o y a n c ys p h e r i c a ls h e l l ，b u c k l i n g ， f i n i t ee l e m e n t i v 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：尹盐日期：2 型l 钍月卫日 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；学校可以根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：雄导师签名：槛日期：丛年# 月伍日作者签名：雄导师签名：彳盘垒邕日期：丛年# 月伍日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 自1 8 7 2 1 8 7 6 年英国发现多金属结核以来，经勘探查明，大洋是丰富的矿 产资源基地。联合国有关专家组预测2 1 世纪最具有商业价值的矿产为多金属 结核，它广泛分布于水深4 0 0 0 5 5 0 0 m 的大洋表层，储量大约3 万亿吨，仅太平 洋就有1 亿吨，其商业价值达2 万亿美元。其次是富钻结壳，它分布在水深1 0 0 0 3 0 0 0 m 的海山表层心3 1 。多金属结核和结壳中有铜、钴、镍、锰、铁、钨、金、 银等7 0 多种元素，其中铜、钴、镍、锰的储量分别为5 0 亿吨、3 0 亿吨、9 0 亿 吨和2 0 0 0 亿吨，相当于陆地储量的9 倍、5 3 9 倍、8 3 倍和5 7 倍n 】。 为了把锰结核从洋底收集起来，尔后将其输送至海面，各国研究了不同的采 矿系统。我国中南大学、长沙矿山研究院、长沙矿冶研究院、北京矿冶研究院和 北京科技大学等单位和院校对深海采矿系统进行过研究，并获得了很多成就n 7 1 。 1 1 深海采矿系统及其输送软管浮力分布的国内外研究现状 为了采集海底的锰结核，各国对深海采矿系统进行了研究。目前，已开发出 或者正在开发的有海底拖撬系统、连续绳斗采矿系统、自动穿梭式采矿车采矿系 统、集矿机与扬矿管道结合的流体提升采矿系统，其中集矿机与扬矿管道结合的 流体提升采矿系统被认为是一种最具有商业应用前景的深海采矿系统。该系统由 集矿、提升、水面支持三大部分构成。根据提升方式不同，有水力提升采矿系统、 气力提升采矿系统和轻介质提升采矿系统之分哺1 ；根据输送系统的不同，该采矿 系统又可分为硬管采矿系统和软管采矿系统。同时为了改善管道在深海工作时的 空间形状，通常在管道上安装浮力材料。 1 1 1 硬管采矿系统及其浮力分布情况 硬管采矿系统的输送系统由一根接近海深长度的钢管、一段软管、中继仓 和多台输送泵组成。其系统的工作原理为：首先采用矿浆泵将矿石从集矿机输送 到矿石中继仓内，然后通过安装于硬管上的多台矿浆泵将矿石从中继仓接力输送 到海面采矿船上，如图l - l 和图卜2 。 该系统最先由美国进行研究，7 0 年代末，由美国、德国、比利时、荷兰、 意大利等国家组成的四个跨国财团( k c o n ，o m a ，o m i ，o m c 0 ) 在太平洋按1 4 - - - 1 5 工业比例进行了深海采矿试验。1 9 7 8 年，k c o n 完成了由集矿机一管道提升组 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 1 拖曳式集矿机硬管采矿系统 图卜2 自行式集矿机硬管采矿系统 成的硬管采矿模拟系统在5 0 0 0 m 水深的陆地采矿模拟试验。1 9 7 8 年夏秋之际， o m a 在距美国佐治亚州和弗洛里达州海岸约1 7 0 海里的大西洋布莱克海台试验 采区进行了拖曳式水力集矿机一气力提升采矿系统试验。其中，硬管管道长 5 0 0 0 m ，呈阶梯形，与集矿机连接的软管长2 0 0 m ，如图1 - 1 所示。o m i 于1 9 7 8 年在太平洋的克拉里昂一克里帕顿断裂带用拖曳式水力集矿机拖曳式机械集矿 机一气力水力提升组成的深海硬管采矿系统进行了3 次开采试验。其中，硬管管 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 道长5 2 5 0 m ，呈阶梯形，与集矿机连接的软管长2 0 0 m 。0 m c 0 也于1 9 7 9 年3 月在 美国加利福尼亚州洛杉矶和长滩西南约1 5 0 0 海里、5 0 0 0 m 水深的海域进行了试 采，该试采系统采用阿基米德螺旋推进、遥控自行式水力射流式集矿机和气动提 升系统提升结核哺1 ，如图1 - 2 所示。 法国于1 9 8 4 年也开始了深海硬管采矿系统的研究，提出的设计方案( 水力 提升) 中，硬管长4 8 0 0 m ，内径3 8 2 m m ，外径4 0 6 m m ；软管长6 0 0 m ，内径3 8 2 m m ， 将集矿机连接到扬矿刚性管路上，软管外包扎漂浮材料，呈拱形浮在海水中呻1 。 日本于1 9 8 3 年转向集矿机和水力提升管道组成的硬管采矿系统的研究开 发，并于1 9 9 7 年进行了集矿机构和扬矿装置的单体试验1 。 俄罗斯( 前苏联) 于1 9 8 7 年和1 9 9 0 年在黑海7 9 m 水深同一区域进行了采矿 系统试验，参与系统为自行式集矿机一水力管道提升的深海硬管采矿系统，试验 的生产能力达到7 2 t h 。深海试验的集矿机模型和管道提升试验已于1 9 9 1 年完 成技术设计，并进行了室内6 0 0 0 m 压力试验阳1 。 我国从2 0 世纪9 0 年代开始对深海采矿系统进行研究，于“九五”期间最终 确定了我国深海采矿系统组成。我国设计的流体提升采矿系统有五个子系统组 成：自行式集矿机、扬矿子系统、监控子系统、采矿船和运输支持子系统。于 2 0 0 1 年在昆明抚仙湖进行了多金属采矿系统的综合湖上试验，验证了集矿机及 软管输送系统的可行性；于2 0 0 2 年1 月完成了1 0 0 0 m 海上试验总体设计。随后， 于2 0 0 4 年1 1 月完成了1 0 0 0 m 海上试验系统技术设计阳3 。 深海硬管采矿系统软管的空间形状主要有单拱形和双拱形两种，浮力分布有 均匀分布和集中分布两种。 大连理工大学的于楠通过在硬管采矿系统软管部分的某一段均匀安装浮力 块使4 0 0 m 的软管形成单拱形状后对软管进行分析得到：只有浮力的中心在软管 的中部或略偏集矿机一侧并且浮力的大小等于或者略大于软管在水中的重量，软 管才会有合理的空间形状和合理的受力状态( 不拖地且适当受拉) i oo 金星、郭 小刚、简曲、何永森等人也对浮力对单拱形状的软管的影响进行了分析。金星、 李峰等人对浮力对双拱形的软管的影响进行了分析，定性分析了双拱结构在集矿 机运动过程中对中继仓影响比较小优点 1 引。 我国深海采矿湖试系统中，输送软管采用钢丝骨架橡胶软管，内径1 5 0 m m ， 最小弯曲半径2 m ，最大外压力1 3 m p a ，每根长1 0 m ，总长3 0 0 m ，法兰接头，其 形状如图卜3 所示；保持软管空间形态的浮力件呈球形，直径0 5 m ，重量3 0 k g ， 提供浮力3 0 k g ，共6 0 个吟1 。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ，3 0 _ 4 0 m 均布1 6 个浮力球 图1 - 3 我国湖试扬矿子系统 我国1 0 0 0 m 深海采矿中试系统中，软管输送部分由输送泵、软管、浮力装置、 软管与集矿机及中间仓的连接机构等组成。输送泵置于中间仓中的输送软管末 端，利用背压输送结核浆体。软管内径1 5 0 m m ，软管总长4 0 0 m ，弯曲半径4 5 m ， 软管承受外压1 m p a ，其形状如图1 - 4 所示。通过在软管两处分布浮力单元产生 浮力的作用，将软管的空问构形确定为易于伸展的双拱结构的马鞍形形态。靠近 中间仓为第1 浮力单元，靠近集矿机为第2 浮力单元。在这种形态下，集矿机无 论是作横向开采或是纵向开采过程中避障绕障的横向运动，均可保证第2 浮力元 到中间仓管段作小速率运动，需要集矿机克服的水阻力便得以减小。同时这种布 图1 - 41 0 0 0 m 深海中试系统软管输送系统布局 局对地形补偿也非常有利。根据软管总重( 1 2 0 k n ) ，所需总浮力约l2 0 k n 。浮 力体采用深海专用浮力材料制成。浮力体的分布依据深海采矿软管空间运动形态 动力分析的结果，在离中间仓l o o m 处( 第一个吊挂点) 处布置浮力约4 0 k n ；在 离中间仓2 0 0 m 处( 第二个吊挂点) 布置浮力约8 0 k n 。按照此比例，我国深海5 0 0 0 m 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 采矿系统软管长6 0 0 m ，在距离中间仓1 5 0 m 和3 0 0 m 的地方布置浮力约为6 0 k n 和 1 2 0 k n 浮力球。为了安装浮力体，在软管上安装龙骨架来保护吊挂点处的软管。 龙骨架设计结构如图卜5 阻1 。 图1 - 5 龙骨架结构简图 1 1 2 软管采矿系统及其浮力分别情况 软管采矿系统由一根比海深长的软管和安装于集矿机上的矿石输送设备组 成。该系统最先由德国锡根大学w s c h w a r z 教授提出，其特点是：输送系统安装 于集矿机上，通过输送软管直接将矿石从海底输送到海面。该系统的优点是：( 1 ) 集矿机的工作范围大，一艘采矿船可同时与多台海底集矿机相接，采矿量成倍提 高；( 2 ) 遇大风大浪时，可以解开输送软管，防止海难发生。该输送方法的缺 点为：输送设备容易磨损，由于安装于集矿机，增加了集矿机的重量。 印度人基于七十年代的研究成果总体方案上采用水面船只、管道输送、集矿 机集矿这样一套系统。管道输送采用软管系统，试验分为三个阶段，第一阶段在 4 0 0 - - 一5 0 0 米水深处验证软管输送可行性、研制开发抽吸头式集矿机；第二阶段 利用第一阶段开发的集矿机验证结核采集机构的可行性和破碎机构的可行性；第 三阶段采用一套集矿子系统和其它子系统一起在中印度洋海盆验证软管提升、集 矿机集矿这样一个完整系统的可行性。到2 0 0 0 年9 月，他们完成了第一阶段的 试验研究，在印度洋4 1 0 m 水深进行了四次试验，如图1 - 6 。其中的软管输送系 统管径7 5 m m ，软管管道长6 0 0 m ，每段管长1 0 0 m ，每6 m 把软管与电缆捆扎在一 起，在软管接近海底的一段上安装浮力材料使管道下半部分形成“s ”形。其中 浮力体5 0 个，每个提供的净浮力为2 5 0 n ，浮力体的外径4 3 0 m m ，内径4 0 m m ，相 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图卜6 深海软管采矿系统 隔4 8 5 m m 安装一个浮力体旧3 ，如图1 - 7 ( 此处浮力体为利用材料合成方法合成的 实心球体) 。在深海6 0 0 0 m 深海采矿系统中( 7 0 0 0 m 长软管) ，每段管道长3 0 0 6 - - 5 0 0 m ，浮力材料安装的方式主要有：均匀分布和抛物线分布。 图1 - 7 印度浅水试验浮力体及安装情况 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 浮力材料的国内外研究现状 浮力材料长期浸泡在深海中，要求耐压、耐腐蚀能力强，且密度要小、吸水 性要小。为适应深海工作的要求，国内、外对深海浮力材料进行了深入的研究。 1 2 1 浮力材料的国外研究情况 美、日、俄等国家从6 0 年代末开始研制高强度固体浮力材料，以用于大洋 深海海底的开发事业，现在已经利用材料合成的方法解决了深海低密度、高强度 固体浮力材料的技术难题。由于球是承受外部均匀压力最理想的结构，通 常把浮力材料加工成球体，如图1 - 7 所示。 美国海军应用科学实验室研制的固体浮力材料，当密度为0 3 5 9 c m 3 时，抗 压强度为5 5 m p a 。美国洛克希德导弹空间公司研制了两种用途的固体浮力材料， 一种是用于浅海的o p s 级固体浮力材料，密度0 3 5 9 c 所3 ，抗压强度5 6 m p a ， 可潜水深5 4 0 m ；另一种是深潜s p d 级固体浮力材料，密度为0 4 5 - - 0 4 8 9 c m 3 ， 抗压强度2 5 m p a ，可潜水深2 4 3 0 m 。美国f l o t e c 公司的浮力材料产品已经形成系 列标准，可以根据客户的要求生产出各种各样复杂的结构件，其浮力材料是由高 强度环树脂作为基材，根据不同的使用水深，填充玻璃纤维增强的热塑性塑料 ( 0 1 0 0 0 m 水深) 或者空心玻璃微珠( 1 0 0 - 一6 0 0 0 m 水深) 的浮力调节介质，选 用适当的合成方法加工而成。同时为了提高浮力材料的抗冲击性和耐侵蚀性，其 外表面浇注聚乙烯或者a b s 外壳，其厚度为1 3 - - - 1 5 m m n5 坞1 。 日本海洋技术中心( j a m s t e c ) 对固体浮力材料的研制开发大体分为三个时 期，第一时期是1 9 7 0 年水深3 0 0 m 的潜水作业；第二时期是8 0 年代初研制载人 潜水器“深海6 5 0 0 ；第三时期1 9 8 7 年开始研制1 万m 深的水下机器人。其中， ”深海6 5 0 0 ”中的浮力材料为了达到足够的耐压强度和尽可能轻的要求，选择双 重方式，这种方法是使用相同材质的两种大小不同的微小球体，较小的微小球体 放在较大的微小球体之间，从而形成类似于晶体排列状。 俄罗斯也研制出用于6 0 0 0 水深固体浮力材料，密度为0 7 9 c m 3 ，耐压 7 0 m p a 【1 5 1 2 2 浮力材料的国内研究情况 国内浅海固体浮力材料采用软木、浮力球、浮力筒及合成泡沫塑料或合成橡 胶，所用合成泡沫塑料的密度为0 5 0 6 9 c m 3 ，抗压强度为4 m p a 。但深海用 固体浮力基本上都还在实验阶段，还没有形成系列标准。譬如，我国7 0 0 0 m 载人 潜水器上所用的浮力材料是从国外进口的。 7 中南大学硕士学位论文第章绪论 青岛海洋化工研究院对浮力材料进行了研究并开发了s s b - - 3 0 0 固体浮力材 料，该材料由闭孔聚异氰酸酯一嗯唑烷酮泡沫( 制备方法：将a 、b 双组份料混 合均匀后，脱泡，倒入模具中固化成型) 作为芯材，1 0 0 固含量喷涂聚脲弹性 体( s p u a ) 作为包敷层。其材料密度为0 2 0 3 5 9 c m 3 ，最高破坏强度7 o m p a ， 工作压力0 4 5 m p a ，4 5 m p a 静水压下变形率小于0 5 。于1 9 9 5 年研制化学 发泡法固体浮力材料，密度0 3 3 9 c m 3 ，可潜水深5 0 0 m ，由芯材和面材组成， 芯材是用化学发泡法制备的聚氨酯一环氧树脂硬质泡沫塑料，面材是由环氧树 脂、聚硫橡胶、磷片状填料、轻质填料、偶联剂及固化剂配成的阻水层，已成功 地用于水下机器人、潜水种及拖天线等深海用途中。最近，又研制出了密度 0 4 8 9 e m 3 ，耐压1 5 m p a 的可加工的固体浮力材料，可用于1 0 0 0 m 水深n 6 、1 7 1 。 哈尔滨船舶工程学院在实验室曾试制过5 0 0 6 0 0 m 水深用的固体浮力材料， 该方法是用直径3 - - 一4 m m 的中空玻璃小球与2 0 、3 0 、4 0 、6 0 、1 0 0 目中空玻璃微 珠按最佳比例配合，用环氧树脂粘结制作密度0 5 5 9 c m 3 的固体浮力材料。 哈尔滨工程大学也对固体浮力材料进行研究，得到的浮力材料密度为o 3 7 g c m 3 ，吸水率小于3 ，体积收缩率小于1 ；浮力材料可用于水深为6 0 0 米的 水下作业工具，以及各种需产生浮力的工作环境。 北京科技大学、中国科学院和海洋化工研究院采用空心玻璃微球填充环氧树 脂在实验室获得了密度为0 6 1 0 7 5 9 c m 3 ，压缩强度为4 0 - - 6 8 9 6 m p a 的固体 浮力材料。其原料有：环氧树脂( 环氧值为0 0 0 4 1 - - - , 0 0 0 4 7 m o l g ) ，稀释剂( 环 氧值0 0 0 6 5 m o l g ) ，固化济( 5 9 3 # 环氧固化剂，蓝星化工新材料股份有限公司 无锡树脂厂生产；间笨二胺，中国医药集团上海化学试剂公司生产；顺丁烯二酸 酐，北京益利精细化学品有限公司生产；二氨基二笨砜固化剂，上海试剂三厂生 产) ，y 氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，2 0 0 及3 0 0 目空心玻璃微珠( 堆积密度0 2 0 4g 册3 ，耐压强度小于l o m p a ) 。方法是将定量的稀释济加入到环氧树脂中 搅拌均匀，然后加入定量的固化济混合均匀，再将适量的空心玻璃微珠及偶联剂 加入其中搅拌均匀，制成预混料，最后注入已涂好脱模剂的模具中，待固化后脱 模，取出试样。通过实验得到，5 9 3 和顺丁烯二酸酐固化剂浇铸体的轴向压缩强 度较小，间笨二胺和二氨基二笨砜固化剂则可以获得较高的强度；空心玻璃微球 的填充量越大，试样压缩强度越小。所以对于固体浮力材料选择最佳的固化剂、 固化条件和配比是非常重要的。其中获得的密度0 7 5g c m 3 、压缩强度6 8 9 6 m p a 的固体浮力材料是在使用间笨二胺为固化剂，环氧树脂：稀释剂：间笨二胺：玻 璃微珠：偶联剂的质量配比为1 0 0 ：1 5 ：1 4 4 ：2 0 ：6 情况下获得的n 8 、悖1 。 北京航空航天大学也对空心玻璃微珠填充坏氧树脂复合泡沫的固体浮力材 料进行了准静力压缩实验，研究了材料的宏观压缩力学性能，并提出了弹性模量 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 和屈服强度的预测公式，这对我国低密度、高强度的固体浮力材料的进一步研究 也起到很大的帮助啪1 。 1 3 课题来源和研究内容 从浮力材料的国内外研究现状可以看出，美、日、俄等国家已经成功地利用 材料合成的方法解决了深海用浮力材料的问题，且可以根据需要合成满足不同深 度要求的浮力材料；而鉴于我国的材料合成技术，我国还没有成功地利用材料合 成技术解决深海用浮力材料的技术难题。 为了发展海洋事业，打破世界上一些国家对浮力材料的垄断，于是我国在 2 0 0 6 年8 6 3 专题课题申请计划中的海洋技术领域设置了大深度浮力研究材料专 题，其主要技术指标：工作深度2 0 6 0 m ：密度3 5 0 - - 4 1 0 堙m 3 ，弹性模量1 5 1 3 0 k g c m 2 ，抗压强度1 9 0k g c m 2 ，破坏深度3 0 8 9 m ，吸水率在试验深度2 4 小时 内小于3 ；工作深度3 5 7 0 m ：密度4 1 7 4 8 1g c m 3 ，弹性模量1 7 5 0 0k g c m 2 ， 抗压强度3 3 0k g c m 2 ，破坏深度4 2 7 0 m ，吸水率在试验深度2 4 小时内小于3 ； 工作深度7 0 0 0 m ：密度4 7 0 5 4 0g c m 3 ，弹性模量3 6 5 6 0k g c m 2 ，抗压强度 6 6 8k g c m 2 ，环境温度：一2 0 4 5 ( 空气中) ，- 2 - - 3 2 ( 2 ( 在海水中) 瞳。 为了可以利用现在的技术解决深海用浮力材料的问题，本文提出利用低密 度、高强度的合金材料制成的空心壳体结构为深海采矿系统输送管道提供浮力。 所以，本文重点对浮力壳体结构进行分析。在研究过程中，使壳体达到提供浮力 的前提下满足国家8 6 3 对大深度浮力材料提出的密度和强度的技术指标。本课题 受到国家自然科学基金( 5 0 5 7 4 1 0 0 ) 的资助。 1 4 课题研究意义 深海采矿系统是一个多环节串联的系统工程，在数千米水深、承受海流和风 浪流影响及海水腐蚀的环境下作业，作业条件恶劣，开采难度很大。但海底矿产 资源具有长远战略意义，世界各国仍很重视这项技术及其配套技术系统地研制和 开发。我国于1 9 9 9 年3 月最终圈定了7 5 万平方公里的大洋采矿“合同区， 加紧对深海采矿技术的研究，于2 0 0 1 年在昆明抚仙湖进行了多金属采矿系统的 综合湖上试验，于2 0 0 4 年1 1 月完成了1 0 0 0 m 海上试验系统技术设计。 深海浮力材料作为深海勘探和开发必不可少的基础性材料，不仅可以为深海 采矿系统输送软管提供浮力，使输送管道在深海工作时形成良好的空间形状，减 小管道对集矿机的作用力，而且也可以为集矿机、载人深潜器、无人遥控潜水器 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( r o v ) 、水下机器人( a u v ) 等提供必需的浮力，对提高这些潜器的有效载荷、 减少其外型尺寸、提高其水下运动性能起着重要作用。所以，对深海浮力材料进 行研究对于我国海洋事业的发展有着非常重要的意义。 l o 中南大学硕士学位论文第二章浮力球壳的基本理论 第二章浮力球壳的基本理论 通过阅读有关深海采矿、固体浮力材料和壳体结构方面的文献，提出由低密 度、高强度材料制成的空心壳体结构达到满足大深度浮力材料技术指标和提供浮 力的目的。 2 1 浮力壳体的选取 在深海采矿系统中，空心壳体可以装在某种绳套内被系在输送软管的龙骨架 上为输送管道提供净浮力。这种空心壳体可以是圆筒壳、球壳、椭圆球壳等形式， 也可以在壳体内部加入加强筋。但是，考虑到对于壳体平均密度和加工难度的影 响，本文不采用加强筋。 评估各种壳体结构效率的通用准则主要是壳体的体积密度，它定义为壳体重 量与排水量的比值，也称为浮力系数。在圆筒壳、球壳和椭圆球壳三种壳体结构 中，在相同的材料下，单个球壳的体积密度比其他形状的壳体都要小。此外，当 压力和直径相同时，球形壳体中的最大应力只有相同壁厚的圆筒形壳体的一半， 因而其壁厚较圆筒形壳体为薄。从壳体的表面积来看，球形壳体的表面积要比容 积相同的圆筒形壳体小1 0 , - - , 3 0 ( 视圆筒形壳体的高度和半径比而定) 。由于 表面积小，所使用的材料也少，再加上需要的壁厚较薄，因而制造壳体容积相同 时，球形壳体要比圆筒形壳体节省3 0 , - - - 4 0 的材料。 综上所述，本文选用球形壳体，且里面不带加强筋( 以后称为浮力球壳) 。 2 2 球壳材料的选择 浮力球壳长期工作在深海中，不仅要求其材料有很强的耐腐蚀能力和足够的 耐高压强度，同时为了提供更大的净浮力，要求其密度要小，另外还必须考虑球 壳在加工制造过程的一些因素： 1 制造性能； 2 可焊性； 3 开孔性； 4 因裂纹和缺陷引起的性能降低： 5 由于无损试验方法引起的不可靠性乜。 现在，被公认的低密度、高强度材料是钛合金。钛合金与其他金属材料相比， 中南大学硕士学位论文 第二章浮力球壳的基本理论 有下列优点：比强度( 抗拉强度密度) 高，抗拉强度可达1 0 0 0 - - 一1 4 0 0 m p a ，而 密度仅为钢的6 0 。中温强度好，使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下 仍能保持所要求的强度，可在4 5 0 一- - 5 0 0 c 的温度下长期工作。耐蚀性好，在大 气中钛表面立即形成一层均匀致密的氧化膜，有抵抗多种介质侵蚀的能力。通常 钛在氧化性和中性介质中具有良好的耐蚀性，在海水、湿氯气和氯化物溶液中的 耐蚀性能更为优异。但在还原性介质，如盐酸等溶液中，钛的耐蚀性能较差。 低温性能好，间隙元素极低的钛合金，如t a 7 ，在- 2 5 3 下还能保持一定的塑性。 弹性模量低，热导率小，无铁磁性。钛合金主要用于深海机器人、载人潜水器 和飞行器上等等。而且钛合金材料市场资源充足，能够加工的单位比较多，价格 低。所以，本文首先选用钛合金t i 8 0 ( t i 2 - 6 a 1 2 z r 1 m o 3 n b ) 作为浮力球壳的加 工材料】。 钛合金t j 8 0 ( t i 2 6 a 1 2 z r 一1 m o 一3 n b ) 的材料参数 a o 2 = 7 8 0 m p a= 8 8 0 m p a 万= 6 e = 1 1 5x1 0 5 m p a = 0 3 1 p = 4 3 0 0 k g m 3 另外，铝合金密度也比较小，且有比较好的性能。但是其强度极限大多数情 况下不是太高，限制铝合金用在要求高强度的设备中。随着制备技术的提高，国 内外已制备出高强度的铝合金。例如近3 0 年，快速凝固粉末合金工艺已发展成 为制备高性能结构材料的重要途径，可以制备出强度比较高的合金材料。所以， 本文再选用低密度高模量铝合金( a l - 3 4 c u - 3 2 l i - 1 1 m g - o 6 m n ) 作为球壳的 加工材料汹1 。 低密度高模量铝合金( a l - 3 4 c u - 3 2 l i - 1 1 m g - o 6 m n ) c r o 2 = 5 7 1 m p ao - b = 5 8 3 m p a 艿= 5 1 e = 0 8 5 1 0 5 m p a = 0 3 0p = 2 5 2 0 k g m 3 2 3 浮力球壳的数学分析 球形壳体在工程上广泛应用，尤其是在海洋工程和航天工程中。球形壳体是 一种旋转壳，其表面各处的曲率半径均 相等。设中间曲面的半径为r ，壳体的厚 度为d ，坐标和位移的正方向如图2 - 1 所示，矽为经度角，侈为纬度角。壳体 中间曲面的主曲率 k = k ，= 1 r = 常数硷。对于中间曲面 上的一点，当妒移动d 缈，乡移动抬后， 1 2 图2 - 1 球壳 中南大学硕士学位论文 第二章浮力球壳的基本理论 由i l l 移动到m ，弧长： 蒜= 厢：历丽丽：瓜丽葡丽 其中d s i 径向圆圆弧上的微分弧长： d s z 平行圆圆弧上的微分弧长。 所以球壳的拉梅系数为： a = r ，b = r s i n 矽 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 将球壳的基本参数代入旋转壳的几何关系、弹性关系和平衡方程就可以得到 完善球壳的几何关系、弹性关系和平衡方程2 5 墙，。 2 3 1 球壳的几何关系 q2 i 1 ( 历0 u + 叻 1 ，1加、 乞2 页( 面历+ 甜c o 缈+ 川 1 ，1 0 u 加、 占，：2i 面历叫缈+ 历) l a ，o w 、 ( 2 - 3 ) 而一雨面叫一面 c o t 妒，却、 1 a ， l o w 、 筋2 节似一面+ 面历( 卜面历) 石：= 雨1 丽0 ( v 一击嚣，+ 嘉c 舅击- v c o t 簟o ， 其中e l - 球壳中面上q 方向的伸长变形分量； 岛- 球壳中面上p ：方向的伸长变形分量； 蜀：一球壳中面上的剪切变形分量； 石、筋、石：- 球壳中面的曲率变形分量； u 一球壳中面上q 方向的位移； ，- 球壳中面上p 2 方向的位移； w 球壳中面上巳方向的位移。 1 3 ! 堡型釜望堕苎墅坚生生 釜三童翌垄壁查塑茎奎里鲨一 印一早盯j 帅= m 仃y 荃平毪比 球壳上任意一点的变形可以近似表示为 卜2 q + 石z 1吃3岛+筋z(2-4) 【e 1 22 毛2 + 2 2 1 2 z 其中巳。一球壳q 方向的伸长变形分量； e 2 ：一球壳乞方向的伸长变形分量； e z ：球壳的剪切变形分量。 2 3 2 球壳的弹性关系 i = 品( 毛+ 鹏) 2 ：e 了d ( 已+ 腭) 1 一砧2 。1 7 m = m 2 = e d 而i q ： m = m 2 = m 1 2 = + ，) + 畅) e d 3 而石z 其中川、 1 2 - 球壳沿中面乞线截面上单位长度的内力： 2 、最。一球壳沿中面q 线截面上单位长度的内力： m 一球壳沿中面乞线截面上单位长度的弯矩； 鸩- 球壳沿中面q 线截面上单位长度的弯矩： m i z 。球壳沿中面乞线截面上单位长度的扭矩： 鸩，。球壳沿中面q 线截面上单位长度的扭矩； 一泊松比。 式中，内力及外力的正向如图2 - 2 。 1 4 ( 2 - 5 ) 筋 筋 一0 0，一，一型h 丝” 一抡 一屹 中南大学硕士学位论文 第二章浮力球壳的基本理论 图2 - 2 球壳的内力和外力 假设壳体上任意一点应力分量q ，0 2 ，_ ：，f 2 沿厚度线性地分布，即为 z ( z 为点距离中面的距离) 的一次函数，则由m 、2 、s 、m 、m ：、m ，就 可以计算球壳中任意点的应力分量q ，吒，：，l 2 。 n 1m z l dd 3 | 1 2 仉：丝一兰已 ( 2 6 ) 以= _ 三一了2 一 二。o dd 1 2 sm z q z2 z2 石一万币 2 3 3 球壳的静力平衡方程式 10an缈,+坐(1_2)+志rsinr rq 0 0 缉r 9 1 o a 矽 、 1“ 妒 ” 熹百o n 2 + 2 c o p t t p s l + 丢要+ 0 2 怕：o r 月s i n 够a 口 r 1 ra 缈 “ 去器+ 业q l + 1 缈0 q 2 r r s i n0 0 一必r 圯= ” ( 2 - 7 ) ra 够 。1 缈 ( ) 去尝+ 上盟+ 业( m m 2 ) 一q ：o 只a 9 rs i n 矽0 0r 、11 熹咝+ 三訾+ 2 c o t 。p m l 2 _ g ：o 尺s i n 够0 0 ra 够r “1 s = 墨，m ，= m ， 其中q 、- 作用在中面每单位面积上q 方向的分布力； g ：- 作用在中面每单位面积上吃方向的分布力； 1 5 中南大学硕士学位论文 第二章浮力球壳的基本理论 吼作用在中面每单位面积上巳方向的分布力。 2 3 4