深海采礦揚(yáng)礦管道工作特性的流固耦合分析與綜合評價(jià)研究.pdf

1、本文以我國深海采礦1000m海試系統(tǒng)為研究對象,采用理論分析、數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,綜合考慮管道系統(tǒng)承受的各種復(fù)雜載荷(如重力、浮力、海流、海浪、內(nèi)部流作用等)以及集礦機(jī)、采礦船運(yùn)動的影響,開展揚(yáng)礦管道工作特性(包括運(yùn)動、力學(xué)性能及輸送等)的流固耦合分析與綜合評價(jià)研究,探討集礦機(jī)與采礦船行走工況、浮力塊布置方式、流體輸送參數(shù)、材料性能等優(yōu)選方案,為深海采礦管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供重要依據(jù)。
　　 本文取得的主要研究成果

2、如下:
　　 (1)基于深海采礦揚(yáng)礦硬管受力簡化模型,采用Matlab語言自行編制了二維無網(wǎng)格局部Petrov-Galerkin法程序,計(jì)算并分析了硬管在海流阻力作用下的偏移特性。結(jié)果表明:硬管最大偏移量發(fā)生在靠近中間倉一端,最大拉應(yīng)力發(fā)生在靠近采礦船一端;硬管最大偏移量隨逆流拖航速度的增加而增加,隨順流拖航速度的增加而先減后增。
　　 (2)采用三維非線性有限元法,通過MSC.MARC/MENTAT軟件建立了布放過程中

3、揚(yáng)礦軟管初始空間構(gòu)形的靜態(tài)分析模型,計(jì)算并分析了軟管初始空間構(gòu)形特性及其多種因素(如浮力塊布置方案、海水阻力、支座形式、軟管彈性模量等)的影響規(guī)律。結(jié)果表明:浮力塊布置方案直接影響著軟管拱頂高度和軟管能否全部漂浮于海水中。海水阻力和軟管彈性模量對軟管初始空間構(gòu)形影響較小。為確保軟管安全及輸送效率,建議浮力布置范圍限定在L/2～3L/4(均布)、L/3～2L/3(單個浮力塊集中作用)或L/4～3L/4(兩個浮力塊集中作用);浮力塊浮力的取

4、值范圍為0.9G≤F≤1.5G(G為軟管凈浮重);建議選用對稱支座形式(兩端同支或鉸支)。
　　 (3)基于流固耦合理論,通過MSC.MARC/MENTAT軟件建立了軟管與內(nèi)部流三維流固耦合有限元模型,計(jì)算并分析了復(fù)雜深海環(huán)境下?lián)P礦軟管運(yùn)動與力學(xué)特性、輸送及其多種因素(如內(nèi)部流提升速度、屈服應(yīng)力與粘性系數(shù)、軟管彈性模量、集礦機(jī)行走工況等)的影響規(guī)律。為保證深海開采的連續(xù)穩(wěn)定和開采效率,建議內(nèi)部流提升速度控制在合適的范圍內(nèi)(如2.

5、5～4 m/s);采取適當(dāng)延長集礦機(jī)內(nèi)礦物破碎和脫泥時間、降低礦物粒徑及內(nèi)部流濃度、減少泥沙含量等措施;內(nèi)部流濃度控制在合適范圍內(nèi)(如10％-25％);盡可能采用彈性模量適中的軟管材料;當(dāng)集礦機(jī)圓形行走和方形行走時,選取集礦機(jī)轉(zhuǎn)彎或位移變號時的軟管應(yīng)力作為軟管接頭強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù);集礦機(jī)行走速度應(yīng)控制在0.2-0.4m/s。
　　 (4)針對傳統(tǒng)主成分分析法存在的不能反映待評價(jià)方案與最優(yōu)方案相似程度的問題,提出了一種基于指標(biāo)優(yōu)化原則

6、進(jìn)行數(shù)據(jù)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化的改進(jìn)主成分分析法,應(yīng)用于深海采礦軟管工作特性的綜合評價(jià),并與模糊層次法評價(jià)結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明:兩種方法評價(jià)結(jié)果基本一致,即具有S形和馬鞍形空間構(gòu)形的軟管工作特性評價(jià)值較高,可作為軟管設(shè)計(jì)的優(yōu)選方案。改進(jìn)的主成分分析方法不依賴于主觀因素,能夠獲得真實(shí)可靠的評價(jià)結(jié)果,特別適用于深海采礦系統(tǒng)多指標(biāo)工作特性優(yōu)劣的綜合評價(jià)。
　　 (5)基于相似理論,自行設(shè)計(jì)了軟管空間構(gòu)形與輸送的試驗(yàn)裝置,開展了在不同浮力塊布置方

7、案下的軟管空間構(gòu)形、在不同的軟管初始空間構(gòu)形下的軟管輸送的試驗(yàn)研究,獲得了軟管空間構(gòu)形的優(yōu)選方案(如S形、馬鞍形等),實(shí)測結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果、綜合評價(jià)結(jié)果吻合較好。
　　 (6)綜合考慮內(nèi)部內(nèi)部流、外部海流與海浪以及集礦機(jī)、采礦船運(yùn)動狀態(tài),通過MSC.MARC/MENTAT軟件建立了深海采礦揚(yáng)礦管道整體聯(lián)動的三維流固耦合有限元模型,計(jì)算并分析了管道系統(tǒng)的運(yùn)動、力學(xué)特性及其多種因素(如拖航速度、海浪周期、中間倉結(jié)核質(zhì)量等)的影響