深海采礦系統(tǒng)揚礦子系統(tǒng)縱向振動被動減振研究.pdf

1、隨著全球陸地資源的日趨緊張、世界經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，開發(fā)海洋礦產(chǎn)資源成為世界各國發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，尤其對于正在崛起的中華民族實現(xiàn)“中國夢”具有深遠(yuǎn)意義。
　　深海采礦系統(tǒng)包括采礦平臺、揚礦子系統(tǒng)和集礦機(jī)等，其中，采礦船、揚礦硬管、提升泵、中間艙和揚礦軟管等是揚礦子系統(tǒng)的重要組成部分。本文研究基于中國深海采礦1000m海試系統(tǒng)，針對深海采礦作業(yè)過程中采礦船升沉運動引起的揚礦子系統(tǒng)縱向動力響應(yīng)問題，提出了在泵和中間艙附加吸振器的方

2、法減小縱向振幅，并運用Galerkin理論詳細(xì)推導(dǎo)分析了揚礦子系統(tǒng)在泵和中間艙附加吸振器前后縱向動力性能的變化，利用BFGS變尺度法首次研究了水中吸振器的參數(shù)最優(yōu)化問題。為了對計算機(jī)仿真結(jié)果進(jìn)行驗證，還建立了一套附加吸振器揚礦子系統(tǒng)縱向減振模擬實驗系統(tǒng)。本文研究內(nèi)容為將來深海采礦作業(yè)和海試提供了技術(shù)參考，也為加強(qiáng)采礦生產(chǎn)安全性提出了一條新的途徑。
　　論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　1.針對中國大洋采礦海洋環(huán)境，研究了深海采礦

3、系統(tǒng)所承受的風(fēng)、波、流等載荷，且研究了揚礦子系統(tǒng)在一定深度海水中的環(huán)境載荷，詳細(xì)推導(dǎo)了揚礦子系統(tǒng)的液動力載荷計算公式，并利用莫爾經(jīng)驗公式得到了波浪中采礦船升沉運動的簡諧運動方程。
　　2.對采礦船升沉運動下的揚礦子系統(tǒng)縱向振動進(jìn)行了研究，構(gòu)建了相應(yīng)的動力學(xué)方程，并應(yīng)用Galerkin理論進(jìn)行了求解，仿真分析了不同海浪周期下?lián)P礦子系統(tǒng)的縱向振幅和軸向應(yīng)力在泵和中間艙位置節(jié)點隨海浪頻率的變化規(guī)律。
　　3.針對采礦船升沉運動下的

4、揚礦子系統(tǒng)縱向振動問題，提出了附加吸振器的方法，運用Galerkin方法分別研究了在泵和中間艙等不同部位附加吸振器時對于揚礦子系統(tǒng)的縱向振動位移和軸向力的影響，仿真結(jié)果表明，在揚礦子系統(tǒng)上附加吸振器是一種減小縱向振幅的簡單可行且有效的方法，尤其在泵和中間艙部位均附加吸振器時抑振效果進(jìn)一步提升。
　　4.鑒于在揚礦子系統(tǒng)中附加吸振器的參數(shù)不同而引起縱向減振效果差異現(xiàn)象，深入分析了海水中單自由度主系統(tǒng)附加吸振器的兩自由度振動系統(tǒng)，運用

5、罰函數(shù)法和BFGS變尺度法推導(dǎo)了水中吸振器參數(shù)最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)和算法，首次得到水中吸振器參數(shù)最優(yōu)化的六個參數(shù)因子，而不是空氣中的四個參數(shù)，豐富了吸振器參數(shù)最優(yōu)化理論，并為后繼附加吸振器的揚礦硬管縱向減振模擬實驗提供了吸振器設(shè)計參數(shù)準(zhǔn)備。
　　5.提出了附加吸振器的揚礦硬管縱向減振模擬實驗具體設(shè)計方案，其中，采礦船運動模擬裝置采用了Stewart六自由度平臺，吸振器模擬裝置采用了簡單有效的典型Voigt式吸振器，即彈簧-阻尼-質(zhì)量子