履帶式集礦機(jī)海底行走的單剛體建模研究與仿真分析.pdf

1、隨著陸地礦產(chǎn)資源的日益貧乏，海底豐富的礦產(chǎn)資源正成為世界各主要經(jīng)濟(jì)體爭(zhēng)奪的新焦點(diǎn)。對(duì)于正逐步崛起的世界新興經(jīng)濟(jì)體之一的中國來說，開發(fā)深海礦產(chǎn)資源正成為影響國家長遠(yuǎn)發(fā)展的一項(xiàng)重大課題。
　　 論文以大洋多金屬結(jié)核開采及我國采礦系統(tǒng)技術(shù)方案為工程背景，提出并開發(fā)了海底履帶自行式集礦機(jī)單剛體行走快速仿真模型。根據(jù)采礦系統(tǒng)的整體運(yùn)動(dòng)與約束關(guān)系，通過與揚(yáng)礦管線三維離散元模型相聯(lián)接，形成深海采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動(dòng)快速仿真模型，實(shí)現(xiàn)大洋多金屬結(jié)核整

2、體聯(lián)動(dòng)開采作業(yè)過程的快速仿真分析，為整體系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制研究打下基礎(chǔ)，并為未來的采礦作業(yè)和海試提供理論分析與技術(shù)參考。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 1.開展了集礦機(jī)履帶與海底沉積物相互作用力學(xué)特性的試驗(yàn)研究。以我國大洋多金屬結(jié)核合同區(qū)海底沉積物原位測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)，選擇膨潤土與水按一定比例混合，配置出具有相似性與可比性的模擬沉積物。通過不同尺寸穿入平板的壓陷試驗(yàn)，獲得基于Bekker公式的海底沉積物壓力一沉陷關(guān)系式及相應(yīng)參數(shù)。通過

3、不同尺寸模擬履帶板的剪切試驗(yàn)，獲得基于Wong公式的海底沉積物剪切應(yīng)力一剪切位移關(guān)系式及相應(yīng)參數(shù)。從而為集礦機(jī)海底行走仿真分析提供邊界加載條件。
　　 2.采用試驗(yàn)獲得的海底沉積物力學(xué)特性關(guān)系式，依據(jù)我國1000m海試系統(tǒng)集礦機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，推導(dǎo)出集礦機(jī)海底行駛時(shí)，沉積物可提供給集礦機(jī)的總牽引力與集礦機(jī)打滑率之間的關(guān)系式。提出集礦機(jī)海底行駛時(shí)的最佳打滑率以及打滑率的控制范圍，為集礦機(jī)海底行走控制研究提供重要參考。
　　

4、 3.提出一種新的履帶車單剛體建模方法。相比于傳統(tǒng)的履帶車多剛體模型而言，單剛體模型僅有6個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)履帶車的快速動(dòng)力學(xué)仿真分析。考慮到履帶接地段與地面相互作用的分布特性，建立基于網(wǎng)格單元的履帶車單剛體模型接地段力學(xué)模型，推導(dǎo)出描述各網(wǎng)格單元中心點(diǎn)處縱向與橫向動(dòng)態(tài)剪切位移的常微分計(jì)算方程。利用動(dòng)力學(xué)分析商業(yè)軟件ADAMS開發(fā)履帶車單剛體模型。相比履帶車多剛體分析商業(yè)軟件中提供的僅有的特定地面土壤力學(xué)模型而言，單剛體模型允許加載各種不

5、同類型的地面土壤力學(xué)模型。通過與當(dāng)前最典型的履帶車多剛體計(jì)算軟件的若干算例比較分析發(fā)現(xiàn)，單剛體模型與多剛體模型的計(jì)算結(jié)果較為吻合，但單剛體模型的計(jì)算速度得到了較大提高，從而驗(yàn)證了單剛體模型的合理性與高效性。
　　 4.進(jìn)行了小型履帶車軟地面行走試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了采用單剛體模型進(jìn)行履帶車分析計(jì)算的合理性。
　　 5.建立了履帶式集礦機(jī)單剛體行走快速仿真模型，開展了海底多種行駛狀態(tài)下的動(dòng)力

6、學(xué)分析。提出兩種新的集礦行走路徑方案，以滿足集礦機(jī)海底作業(yè)安全性、高效性與環(huán)保性的要求。對(duì)行走路徑進(jìn)行分析計(jì)算，并通過對(duì)集礦機(jī)單剛體模型運(yùn)動(dòng)過程的控制，實(shí)現(xiàn)兩種新的采集路徑的仿真分析。
　　 6.將集礦機(jī)單剛體模型與管線系統(tǒng)離散元模型相聯(lián)接，組成深海采礦整體系統(tǒng)快速仿真模型。提出兩種可行的聯(lián)動(dòng)開采作業(yè)方式，并通過詳細(xì)分析與設(shè)計(jì)，進(jìn)行聯(lián)動(dòng)作業(yè)過程的模擬研究。討論集礦機(jī)不同采集路徑下，整體系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性。在聯(lián)動(dòng)過程中，各子系統(tǒng)