履带式集矿机海底行走的单刚体建模研究与仿真分析

1、履带式集矿机海底行走的单刚体建模研究与仿真分析随着陆地矿产资源的日益贫乏 , 海底丰富的矿产资源正成为世界各主要经济体争夺的新焦点。 对于正逐步崛起的世界新兴经济体之一的中国来说 , 开发深海矿产资源正成为影响国家长远发展的一项重大课题。论文以大洋多金属结核开采及我国采矿系统技术方案为工程背景 , 提出并开发了海底履带自行式集矿机单刚体行走快速仿真模型。根据采矿系统的整体运动与约束关系 , 通过与扬矿管线三维离散元模型相联接 , 形成深海采矿系统整体联动快速仿真模型 , 实现大洋多金属结核整体联动开采作业过程的快速仿真分析 , 为整体系统的联动控制研究打下基础 , 并为未来的采矿作业和海试提供

2、理论分析与技术参考。论文的主要研究内容如下： 1. 开展了集矿机履带与海底沉积物相互作用力学特性的试验研究。 以我国大洋多金属结核合同区海底沉积物原位测试数据为依据 , 选择膨润土与水按一定比例混合 , 配置出具有相似性与可比性的模拟沉积物。 通过不同尺寸穿入平板的压陷试验 ,获得基于 Bekker 公式的海底沉积物压力 - 沉陷关系式及相应参数。 通过不同尺寸模拟履带板的剪切试验 , 获得基于 Wong公式的海底沉积物剪切应力 - 剪切位移关系式及相应参数。从而为集矿机海底行走仿真分析提供边界加载条件。 2. 采用试验获得的海底沉积物力学特性关系式 , 依据我国 1000m海试系统集矿机的主

3、要设计参数 , 推导出集矿机海底行驶时 , 沉积物可提供给集矿机的总牵引力与集矿机打滑率之间的关系式。提出集矿机海底行驶时的最佳打滑率以及打滑率的控制范围 , 为集矿机海底行走控制研究提供重要参考。 3. 提出一种新的履带车单刚体建模方法。相比于传统的履带车多刚体模型而言, 单刚体模型仅有 6 个自由度 , 可实现履带车的快速动力学仿真分析。考虑到履带接地段与地面相互作用的分布特性, 建立基于网格单元的履带车单刚体模型接地段力学模型, 推导出描述各网格单元中心点处纵向与横向动态剪切位移的常微分计算方程。利用动力学分析商业软件ADAMS开发履带车单刚体模型。相比履带车多刚体分析商业软件中提供的仅

4、有的特定地面土壤力学模型而言 , 单刚体模型允许加载各种不同类型的地面土壤力学模型。 通过与当前最典型的履带车多刚体计算软件的若干算例比较分析发现 , 单刚体模型与多刚体模型的计算结果较为吻合 , 但单刚体模型的计算速度得到了较大提高 , 从而验证了单刚体模型的合理性与高效性。 4. 进行了小型履带车软地面行走试验研究 , 试验结果与仿真结果较为吻合 , 从而进一步验证了采用单刚体模型进行履带车分析计算的合理性。 5. 建立了履带式集矿机单刚体行走快速仿真模型 , 开展了海底多种行驶状态下的动力学分析。提出两种新的集矿行走路径方案 , 以满足集矿机海底作业安全性、高效性与环保性的要求。对行走路径进行分析计算 , 并通过对集矿机单刚体模型运动过程的控制 , 实现两种新的采集路径的仿真分析。 6. 将集矿机单刚体模型与管线系统离散元模型相联接 , 组成深海采矿整体系统快速仿真模型。提出两种可行的联动开采作业方式 , 并通过详细分析与设计, 进行联动作业过程的模拟研究。 讨论集矿机不同采集路径下 , 整体系统的联动动力学特性。在联动过程中 , 各子系统均能保持稳定的运动状态。通过仿真分析证明两种新提出的集矿机采集路径的可行性,以及整体系统纵向与横向联动折返作业方式的合理性。本文研究为实现履带车快速仿真分析提供了一种新的建模方法。提出并开发的基于单刚