深海采矿系统集矿机布放仿真研究

深海采矿系统的扬矿子系统和集矿子系统的受力情况比较复杂,根据中国大洋多金属结核中试采矿系统总体系统技术设计要求,对采矿船深沉运动及海浪波面波动进行了数值模拟;分析采矿系统中集矿机布放过程中的受力,采用附加质量力来描述布放过程中的水动力影响;应用机械系统动力学分析软件ADAMS建立深海采矿系统集矿机布放过程虚拟样机,对这一过程进行仿真.通过对仿真结果的分析研究,为采矿船设计与操纵、布放回收装置设计及布放回收作业的实施方案提供了理论参考.     

深海采矿整体系统动力学建模及联动开采作业过程快速仿真分析

以国际海底区域多金属结核开采及我国深海采矿1000 m海试系统技术方案为工程背景,针对整体系统联动开采作业过程模拟研究的需要,提出并开发海底履带式集矿机单刚体快速动力学仿真模型。根据深海采矿系统整体运动与约束关系,将集矿机单刚体模型与扬矿管三维离散元模型相连接,组成深海采矿整体系统快速动力学仿真模型。提出两种新的整体联动开采作业方式——纵向联动折返式与横向联动折返式。通过分析、设计及仿真控制,实现两种整体联动开采作业方式的快速仿真分析。讨论集矿机按两种新提出的采集路径行走,同时采矿船拖曳扬矿管跟随集矿机运动时,整体系统的纵向与横向联动作业动力学特性。仿真分析结果表明,整体系统联动作业过程中各子系统均能保持在各自的稳定范围内运动,进而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式作业方式的合理性。深海采矿系统整体联动开采作业过程动力学分析将为整体联动控制研究奠定基础,并为将来的深海采矿海试以及商业开采过程操控提供重要的理论分析基础与技术参考。     

基于联合仿真技术的深海采矿升沉补偿装置控制系统的研究

该文联合虚拟样机技术和控制系统仿真技术对深海采矿升沉补偿系统进行了设计研究,建立了基于液压动力源的升沉补偿系统采矿船多刚体机械动力学模型,并针对该模型设计了模糊自整定PID控制器。联合仿真研究结果表明,模糊自整定PID控制策略能很好地对升沉补偿装置进行有效的位移补偿控制,补偿率可达到40%~45%,从而提高了深海采矿系统的稳定性。     

深海采矿升沉补偿模拟试验方案研究

深海采矿中采矿船的纵摇、横摇和升沉运动对采矿系统非常不利,是深海采矿技术中的一个重要研究内容.深海采矿系统结构庞大,无法直接在实验室中进行实验研究,参考国外相关技术,提出对采矿船纵摇、横摇和升沉运动进行补偿的实际方案,并根据相似原理,推导出符合本系统的相似准则,从而将实际系统的边界条件,缩放到实验室环境.仿照实际系统,设计了试验系统.在试验系统中,可以进行纵摇、横摇补偿特性、升沉补偿特性、水动力特性以及各功能实现的结构方法的研究,为实际系统的实现提供参考依据.     

扬矿管与升沉平台联接装置外框架的有限元分析

扬矿管与升沉平台的联接装置是深海采矿系统的重要组成部分。扬矿管上端悬挂在海面采矿船的升沉平台上,下端通过中间仓、软管连接到海底集矿机。由于采矿船的纵摇、横摇、拖航和集矿机行走运动的影响,以及波浪、海流的作用,扬矿管不会处于垂直位置,下端将产生较大偏移。为避免扬矿管上端承受很大的弯曲应力和变形而产生破损,使采矿系统能够安全地在大洋上进行采矿作业,必须设计出合理的联接装置,能够随扬矿管作纵、横摇运动。介绍了深海采矿系统扬矿管与升沉平台联接装置的设计方案;利用通用有限元分析软件ANSYS建立了深海采矿系统扬矿管与升沉平台联接装置外框架结构的有限元模型,并对其进行了应力、变形及模态的分析计算,得到了其在最恶劣工况下的应力、位移云图及其低阶模态的固有频率和振型。     

深海采矿扬矿管非线性偏移特性研究

由于受海流及采矿船的拖航作用,深海采矿扬矿管会发生大偏移,这属于几何非线性问题。将扬矿管简化为非线性梁单元,利用T.L.描述方法建立了有限元模型,运用能量法推导了刚度矩阵,给出了液动力的计算方法及增量步内的Newton-Raphson迭代求解方法。分析了不同拖航速度、缓冲矿仓质量以及扬矿管与采矿船连接方式对扬矿管偏移的影响。计算结果表明,拖航速度和缓冲矿仓质量对扬矿管偏移有很大影响,而扬矿管与采矿船的连接方式对扬矿管的偏移几乎没有影响。为采矿系统的合理设计提供了理论分析方法和设计依据。     

附加单个动力吸振器的扬矿子系统纵向振动仿真分析研究

针对深海采矿系统中扬矿管的纵向振动问题,采用了附加单个动力吸振器(简称DVA)的方法来抑制其纵向振幅和轴向应力。建立了附加DVA扬矿子系统的数学模型,并运用了Galerkin方法求解,应用了Matlab编制模拟分析程序,仿真计算了泵和中间舱分别附加DVA三种工况下的扬矿子系统纵向振幅和轴向应力,结果表明:在我国深海采矿区域最常见的海况,即海浪周期T为5 s时,附加DVA能有效地实现扬矿管的纵向振动抑制,尤其是中间舱附加DVA的纵向振幅减少幅度高达38%,轴向应力减少了26.2%,为深海多金属结核采矿作业提供一种新的安全措施和手段。     

5000m深海扬矿管运动状态影响因素分析

深海采矿扬矿管处于海洋环境之中，受海浪、海流以及采矿船拖航的影响，会发生大的偏移。研究分析了海浪、海流、采矿船拖航速度、中间矿仓质量以及扬矿管与采矿船连接方式对扬矿管的影响，可为系统设计、布局、运行和控制提供参考。     

基于多体动力学模型集成的深海采矿系统联动仿真

采用多体动力学建模仿真程序Recur Dyn/Track构建海底履带式集矿机多体动力学模型,实现了海底底质特殊力学模型在集矿机多体动力学模型中的二次开发与集成。开展小型履带式试验样车行走性能测试,与相应二次开发多体动力学模型仿真结果相比较,进一步验证二次开发建模方法的计算准确性。基于多体离散元法,应用Recur Dyn Process Net平台进行二次开发,采用C#语言编写建立超长采矿管线多体离散元动力学模型的自动参数化建模计算程序。集成海底履带式集矿机多体动力学模型与采矿管线系统多体离散元动力学模型,实现了深海采矿整体系统的多体动力学模型集成构建与联动仿真,获得并分析联动过程各子系统空间运动状态变化、子系统间相互作用力变化等动力学特性,为实际深海采矿系统的整体集成设计、性能预测及作业操控提供了参考。     

基于准静力学理论的深海采矿车通过性分析

深海采矿车在动力系统完全满足要求的前提下,其通过性能主要取决于通过时的几何特性与力学特性。应用准静力学理论,以深海采矿车为研究对象,在分析深海采矿车失去通过性常见类型的基础上,确定失去通过性的几何条件,并建立了准静力学模型,分析越障时需要满足的力学条件。这一方法可为深海采矿车的设计改进提供支持,为原理样机的研制及测试验证提供参考,具有重要的工程实际意义。     

基于ADAMS的海底机器人行走液压系统仿真研究

1000m海底作业机器人是深海多金属结核采矿系统的关键技术之一。利用ADAMS／hydraulics动力学软件建立了海底作业机器人行走液压系统仿真模型，获得了履带速度和马达压力的响应特性，并对海底作业机器人在150m湖底的行走试验与仿真进行了对比研究，验证了海底作业机器人行走液压系统建模的正确性。     

粗颗粒海底矿石浆体提升电泵研究

基于N-S方程和标准k-ε湍流模型,提出了适用于深海采矿的粗颗粒高扬程提升电泵的优化设计方法,该方法由泵结构参数的优化设计、流动分析、特性预测和反求修正设计四部分构成。应用该方法进行了我国深海多金属结核采矿海试系统八级提升电泵的优化设计、流动分析与特性预测,将该八级提升电泵仿真模拟结果与我国研制的首台两级提升电泵实验结果进行对比,表明该泵能获得较好的工作特性指标,满足多金属结核采矿海试系统的要求,其单级扬程和效率有较大的提高,说明该优化设计方法是合理可行的。     

一种新型深海采矿船升沉信号采集系统设计

基于零波面理论，利用超声测距原理，介绍了3点定面测量船舶升沉位移的方法，设计了一种新型深海采矿船升沉信号采集系统。该采集系统采用8051单片机控制超声波的发射与接收，采用RS232与上位微机通讯。提出了提高测量精度的有效措施：合理选择超声波工作方式及工作频率；采用波头检测与零交叉检测技术；提高计数频率，减少计时误差；设计温度补偿电路；用软件补偿电路的时间延迟。     

深海采矿系统多维运动补偿器的运动学设计

根据采矿船在海浪中的运动情况,确定了深海采矿系统多维运动补偿器要满足的运动学要求.提出了基于6-SPS结构Stewart平台的采矿系统多维运动补偿器的设计方案,确定了平台的结构尺寸.运用matlab绘制出了补偿器的工作空间图形,证明设计的尺寸满足运动学要求.     

一种深海采矿车自主定位系统研究

深海采矿车定位系统是其自主导航、路径规划等的基础.针对深海钴结壳矿区地形不平坦,采矿车作业环境恶劣,车体打滑严重等复杂情况,设计了一种基于从动轮测速的航位推算定位方法.用不同时刻、不同斜面复合三维地形的方法,建立非平坦地形上作业采矿车的航位推算模型,采用电子罗盘、角位移传感器等测量采矿车的动态参数,实现采矿车连续、实时定位.试验结果表明该定位系统能适应复杂的工作条件,有较高的定位精度.     

海洋采矿起伏补偿电液控制信号采集的研究

用零波面、浮力等理论，提出新型参照物组件的电液自动控制结构，解决深海采矿起伏补偿电液控制信号采集的关键难题，为沉海采矿作业升沉自动补偿技术提供一种有效可靠手段。     

深海采矿提升系统研究综述

将粗颗粒矿物从数千米的海底提升到水面是深海采矿需要解决的一个关键技术难题。以深海矿产的商业开采为背景,从技术原理的角度对当前几种典型的深海采矿提升系统进行研究,根据深海矿物商业开采的高产能高效率要求,从提升系统的工作机理、结构方案、输送能力、系统效率及实施可行性等方面进行剖析,结果表明,机械式提升系统能量利用率高,但存在作业过程中缆绳可能发生缠绕,实现商业开采产能尚有难度;气力提升系统结构简单,但系统效率低且需采用大直径的提升管道,会增加管道布放回收及整个采矿系统运行的成本和难度;综合对比各方面,对于高扬程大产能的深海矿物提升而言,离心泵水力管道提升是一种综合性较优的提升方案。     

基于 AMESim 的抓斗采矿船液粘调速系统仿真

阐述了液粘调速离合器的原理及其在抓斗采矿船动力传动系统上的应用,利用AMESim动力仿真软件对抓斗采矿船的动力传动系统进行建模,调节元件模型参数,优化模型。通过仿真抓斗采矿船的一个典型工作循环,得到了系统的动态性能曲线。通过分析仿真结果,验证了液粘调速离合器的作用效果及模型的有效性。     

海底履带采矿车打滑控制研究

针对深海海底多金属结核矿区底质稀软,承载能力低,履带采矿车沉陷和打滑等问题,设计了一种采矿车浮力调节装置,并提出一种基于浮力调节的履带采矿车打滑控制方法;针对深海海底履带采矿车真实打滑率不易测量的问题,应用RecurDyn软件构建履带采矿车动力学模型,获取履带采矿车实际输出速度、实时打滑率;通过RecurDyn与MATLAB进行联合仿真,验证应用浮力调节对采矿车打滑控制的可行性。联合仿真结果表明,基于浮力调节的打滑控制方法能够有效改善打滑率,当履带采矿车出现严重打滑时,能够迅速降低打滑率并保持平稳运行。     

基于AMESim的抓斗采矿船液粘调速系统仿真

阐述了液粘调速离合器的原理及其在抓斗采矿船动力传动系统上的应用,利用AMESim动力仿真软件对抓斗采矿船的动力传动系统进行建模,调节元件模型参数,优化模型。通过仿真抓斗采矿船的一个典型工作循环,得到了系统的动态性能曲线。通过分析仿真结果,验证了液粘调速离合器的作用效果及模型的有效性。