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。     

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.     

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。     

在海水阻力作用下的深海采矿系统力学参数分析

根据深海采矿输送管道在采矿船牵引下运动,同时受到管道和管内流体重力、浮力和海水阻力作用的情况,采用有限元对输送软管进行了计算分析。从计算结果的比较分析可知:在输送管道下端安装浮体,得到了一种十分理想的采矿系统;海流和海浪对管道上端的结点反力有较大的影响,对管道下端的结点反力和管道的形状影响较小;采矿船运动对管道产生很大的阻力,对管道两端的结点反力和管道形状影响都很大。     

基于最优控制理论的深海采矿扬矿管纵向振动控制研究

针对深海采矿系统中扬矿管的纵向振动问题,运用线性二次型最优控制理论的主动控制方法进行研究. 建立海洋环境下扬矿管的纵向运动方程,推导得到LQG(linear quadratic gauss)最优控制状态方程,并应用MATLAB编制模拟分析程序,仿真计算泵与中间舱的纵向振动时间历程和升沉补偿装置所需提供的控制力.结果表明,升沉补偿装置能有效实现扬矿管的纵向振动抑制,减少幅度高达75%,所需控制力符合1 000 m海试采矿系统方案的设计要求.     

扬矿球铰接头的螺纹滑脱及脂密封性能分析

借鉴国内外深海采矿扬矿管接头,结合其作业环境设计了一种球铰接头,使扬矿系统不受弯矩和扭矩,相当于柔性管。采用能量损失法分析了螺纹脂密封性能,并用有限元法分析了螺纹的滑脱失效。分析结果表明,在中试系统矿浆流速下,深海采矿扬矿系统球铰接头部分螺纹机加工产生的自然通道螺纹脂有良好的密封性能。减小扬矿管系统承受的拉力,增大螺纹间的摩擦和螺纹间啮合齿数,可减小扬矿管接头滑脱的可能性,从而提高系统作业的可行性和安全性。     

扬矿球铰接头的螺纹滑脱及脂密封性能贩

借鉴国内外深海采矿扬矿管接头,结合其作业环境设计了一种球铰接头,使扬矿系统不受弯矩和扭矩,相当于柔性管.采用能量损失法分析了螺纹脂密封性能,并用有限元法分析了螺纹的滑脱失效.分析结果表明,在中试系统矿浆流速下,深海采矿扬矿系统球铰接头部分螺纹机加工产生的自然通道螺纹脂有良好的密封性能.减小扬矿管系统承受的拉力,增大螺纹间的摩擦和螺纹间啮合齿数,可减小扬矿管接头滑脱的可能性,从而提高系统作业的可行性和安全性.     

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。     

海底采矿及扬矿管强度计算问题探讨

论述了国内外海底锰结核矿开采的研究与开发历史及现状.根据我国"九五"、"十五"拟订的海底锰结核矿开采系统方案,分析了海底开采锰结核扬矿管的工作环境、载荷特点,并提出了扬矿管的强度计算方法.     

Dynamic behavior of lifting pipe with equivalent model under mining vessel heave motion

The lifting pipe is a key component of deep sea mining whose dynamic response directly affects the safety of the lifting operation. The objective of this paper was to investigate the effects of heave motion and sailing velocity of mining vessel and the buffer mass on the dynamic response of lifting pipe. First, an equivalent model of the lifting pipe was established, and the natural frequency and dynamic response of the lifting pipe equivalent model were determined with consideration of the wave action by the method of separated variables. Secondly, the reliability of the equivalent model was verified by simulating a 5000 m stepped pipe with OrcaFlex software. Then the dynamic displacement, axial tension, axial stress of the lifting pipe under different sea conditions and sailing velocities were studied, and the main factors affecting the dynamic response of the pipe described. By comparing the simulation results of actual and equivalent models, the equivalent model can be used to analyze the longitudinal vibration characteristics of the lifting pipe. The sailing velocity of the mining vessel has little effect on the dynamic response of the lifting pipe, but the surface wave has a significant effect.

     

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。     

新型深海采矿水力输送系统研究

针对扬矿硬管长度超过3000m容易拉断的问题,提出使用碳纤维复合材料制造扬矿管.利用有限元分析软件AN-SYS对其进行受力分析,结果表明,碳纤维复合管可用于深海采矿.对由碳纤维复合管、储料罐与水泵组合的水力输送设备和软管组成的新型水力输送系统,进行参数计算分析得出,水泵扬程为420～740m,功率为430～470kW.设计和制造满足上述要求的水泵,在技术上已经成功,证明该输送系统是可行的.     

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。     

深水管道法兰连接工艺及法兰连接机具设计研究

我国海洋石油产业正在向深水进军,以法兰连接为主要连接方式的深水管道连接技术是必须攻克的难题。因此,设计了一套深水管道法兰连接的工艺方案,并对关键设备法兰连接机具进行了设计研究。该研究成果对促进我国深水作业设备发展,提高我国深水管道连接技术具有一定意义。     

波浪驱动式海洋高频次精细化观测剖面仪的设计

波浪驱动式海洋剖面观测平台具有自主升降、快速剖面、高时空分辨、长期连续的综合优势,对当前海洋中小尺度动力过程、浮游植物生理昼夜变化、生物地球化学循环等快变过程研究具有重要意义。自主设计并研制了一种完全由波浪驱动的海洋剖面仪样机系统,于2021年8月8日～8月31日在青岛胶州湾海域以锚泊方式连续开展了23天海试,获取总剖面数2 367个,平均每天102个,剖面平均周期8.19 min。结果进一步表明,在1级左右的低海况下,系统工作受潮流影响较大;而在2级以上的较高海况下,基本可以实现全天时连续工作,证明了自研波浪驱动式剖面仪样机具有良好的工作灵敏性、状态稳定性和机械耐受性,且设计成本只有国外同类产品价格的20%左右,为实现新型剖面观测平台的国产化目标迈出了关键一步。     

深海采矿输送软管几何非线性静力分析

根据矿石输送软管的挠度变化很大的特点,采用了几何非线性有限元理论对输送系统进行力学分析;根据输送管道在采矿船和采矿车的牵引下运动,同时受到管道和管内流体重力,以友浮力作用的情况,采用有限元分别对三种参数值的输送系统进行了计算分析。从计算结果的比较分析可知：简单输送系统不能满足深海采矿要求;在输送管道下端安装浮体,得到了一种十分理想的采矿系统;输送管道的密度对采矿系统的性能影响很大,应尽可能地采用密度小的输送管道。