深海采礦作業(yè)過程揚礦管線系統(tǒng)空間構(gòu)形與動態(tài)特性研究.pdf

1、陸地上礦物資源的逐漸枯竭成為進行強有力海洋采礦研究的重要動機。在復(fù)雜海洋環(huán)境因素影響下將深海多金屬結(jié)核連續(xù)、高效地采集并輸送到海面采礦船上，同時要求開采系統(tǒng)具有高度可靠性和商業(yè)應(yīng)用價值，是目前深海采礦面臨的主要研究課題之一。管道提升式深海采礦系統(tǒng)是目前被國際廣泛認(rèn)可的典型深海多金屬結(jié)核開采系統(tǒng)。自20世紀(jì)70年代，國際上各研究機構(gòu)對這種采礦系統(tǒng)開展了大量的研究與海洋試驗。中國深海多金屬結(jié)核開采1000m海試系統(tǒng)亦采用集礦機與管道提升相結(jié)

2、合的采礦方式，其揚礦系統(tǒng)是由揚礦硬管、揚礦泵、中間倉、柔性軟管等多體組合的復(fù)雜長管線系統(tǒng)。 在海洋采礦作業(yè)過程中，揚礦管線系統(tǒng)既受到包括海洋環(huán)境載荷在內(nèi)的各種復(fù)雜外部載荷作用，又受到海面采礦船和海底集礦機作業(yè)運動的影響，因此無論是在布放回收還是在拖航作業(yè)過程中，其運動學(xué)和動力學(xué)特性都十分復(fù)雜。作者結(jié)合國家深海技術(shù)發(fā)展項目相關(guān)課題，采用有限元法對深海采礦揚礦管線系統(tǒng)作業(yè)過程進行數(shù)值模擬，研究管線空間構(gòu)形和動態(tài)特性。主要研究內(nèi)容如下

3、： 1.多體組合的深海采礦揚礦管線系統(tǒng)各部分主體結(jié)構(gòu)之間力學(xué)耦合，根據(jù)中國深海采礦1000m海試系統(tǒng)總體方案和作業(yè)規(guī)劃，針對揚礦系統(tǒng)各部分的結(jié)構(gòu)特點、聯(lián)接方式和作業(yè)條件，研究多體組合的揚礦管線系統(tǒng)在復(fù)雜外部載荷和作業(yè)聯(lián)動作用下的力學(xué)建模。柔性復(fù)合軟管作為揚礦管線系統(tǒng)的重要組成部分，其建模方法對整體揚礦系統(tǒng)作業(yè)聯(lián)動分析的計算效率和精度影響很大。針對柔性復(fù)合軟管抗拉剛度大，抗彎剛度小的宏觀特性，提出了基于空間管梁有限元模型的單元耦合

4、建模方法，建立了包括揚礦硬管、柔性軟管、中間倉及揚礦泵等多體組合的揚礦管線系統(tǒng)有限元模型，為整體揚礦管線系統(tǒng)布放回收和拖航作業(yè)過程動力學(xué)分析提供了一種較精確的力學(xué)分析模型。 2.揚礦管線有限元模型的外部載荷包括重力、浮力、海洋液動力、內(nèi)外流體壓力、內(nèi)部流體運動產(chǎn)生的摩擦力、泵工作產(chǎn)生的軸向力和扭矩、軟管的集中吊掛浮力等，在整體作業(yè)聯(lián)動過程分析中，還包括采礦船和集礦機的運動載荷，以及布放回收作業(yè)中管線的運動載荷。揚礦管在海洋中受到

5、波浪和海流聯(lián)合作用的液動力載荷是揚礦管線主要的環(huán)境載荷，在海洋工程結(jié)構(gòu)中屬小直徑管柱的流體動力問題。作者基于Morison公式研究了波浪與海流聯(lián)合作用下?lián)P礦管液動力載荷計算方法，同時給出了在大型低噪聲循環(huán)水槽中進行的1000m海試系統(tǒng)中帶附管揚礦管的流體動力系數(shù)試驗方法和測定結(jié)果。 3.在變形過程中伴隨有大位移和有限旋轉(zhuǎn)的空間管梁結(jié)構(gòu)的幾何非線性有限元分析方法有全拉格朗日法（TL），更新拉格朗日法（UL）和隨體旋轉(zhuǎn)法（CR）等。

6、研究分析了拉格朗日法與隨體旋轉(zhuǎn)法各自的特點，給出了Rankin等推導(dǎo)的隨體旋轉(zhuǎn)法求解原理，并選用該方法求解揚礦管線的幾何非線性問題。 4.基于多體組合的揚礦管線有限元模型，采用靜態(tài)分析方法對軟管的空間構(gòu)形進行研究，為揚礦管線系統(tǒng)布放回收和拖航作業(yè)過程動態(tài)分析提供基本參數(shù)。在軟管空間構(gòu)形的影響因素中，軟管集中吊掛浮力配置方式對其水下空間構(gòu)形的影響很大。在綜合考慮軟管空間構(gòu)形、軟管下端對集礦機作用力、軟管下端偏轉(zhuǎn)角度等多種因素基礎(chǔ)上

7、，研究了較優(yōu)的軟管集中吊掛浮力配置方案，包括浮力大小、配置比例、浮力體吊掛位置等。 5.在布放回收作業(yè)過程中揚礦管線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)和力學(xué)特性發(fā)生著快速變化，開展了揚礦管線布放回收過程數(shù)值模擬的探索性研究。針對布放過程中集礦機著底后管線系統(tǒng)的動態(tài)特性分析，建立了相應(yīng)的有限元初始化模型，并對不同運動參數(shù)下布放作業(yè)中的管線形態(tài)和動態(tài)特性進行瞬態(tài)動力學(xué)分析。研究發(fā)現(xiàn)：較低的管線布放速度可以明顯改善系統(tǒng)的動態(tài)特性；某些布放方式可能導(dǎo)致軟管

8、產(chǎn)生堆積纏繞現(xiàn)象，對此論文提出了相應(yīng)的避免措施；管線回收作業(yè)的數(shù)值模擬過程基本上是布放作業(yè)過程模擬的逆過程，其動力學(xué)特性亦具有可比性。 6.對多種運動參數(shù)下的揚礦管線作業(yè)聯(lián)動特性和3種典型連續(xù)軌跡的拖航作業(yè)模式進行了動力學(xué)分析，實現(xiàn)了揚礦管線系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷組合作用下時程變化的位移、作用力及應(yīng)力的求解。研究表明：拖航速度越高，揚礦硬管偏轉(zhuǎn)角度和中間倉的橫向偏移越大，軟管馬鞍型形態(tài)畸變程度也相應(yīng)增大；在低于0.5

9、m/s速度下拖航，中間倉的拖曳軌跡與采礦船運動軌跡基本一致，系統(tǒng)的跟隨性較好。 7.由于海試系統(tǒng)的軟管布放長度會根據(jù)實際水深適當(dāng)調(diào)整，且中間倉距海底高度隨海底地形變化，因此以中間倉為中心，建立了集礦機動態(tài)安全域。將軟管布放長度和中間倉距海底高度在其變化值范圍內(nèi)離散化，并根據(jù)有限元分析結(jié)果，建立了集礦機動態(tài)安全域參數(shù)實時查詢表，可供作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)實時調(diào)用。 8.為了驗證揚礦管線建模方法的正確性，采用一個與1000m海試揚礦管