基于三維離散元管線模型的深海采礦1000m海試系統(tǒng)整體聯(lián)動動力學(xué)研究.pdf

1、隨著世界人口的不斷增長、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，世界各國對礦產(chǎn)資源的需求量與日劇增，以至于陸地資源日漸短缺，人類不得不探尋新的資源基地。而大洋底部卻蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，開發(fā)大洋礦產(chǎn)資源已經(jīng)成為世界各國發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。相比其他國家，我國的資源狀況更加嚴(yán)峻，深海多金屬結(jié)核開采技術(shù)的研究是一個關(guān)系到國家戰(zhàn)略的重大課題。 本文作者以中國深海采礦1000m海試系統(tǒng)為研究對象，針對采礦系統(tǒng)揚(yáng)礦管線工作過程中大位移、小變形的幾何非線性特性

2、以及系統(tǒng)聯(lián)動過程動力學(xué)性能實時快速分析的需求，提出多剛體離散元法建立管線空間離散模型，基于多剛體動力學(xué)的理論，利用大型商業(yè)動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS建立1000m海試整體系統(tǒng)虛擬樣機(jī)，成功進(jìn)行了采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動動力學(xué)仿真和性能分析，為系統(tǒng)的研制和開采作業(yè)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。研究形成了計算精度與有限元方法相當(dāng)、計算速度提高近8倍的深海采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動動力學(xué)性能分析方法，為深海采礦系統(tǒng)海試和采礦作業(yè)過程的動力學(xué)性能實時分析和監(jiān)測開辟了

3、一條可行的途徑。 主要研究成果如下： 1.考慮到深海采礦系統(tǒng)長期設(shè)置于開敞海面從事作業(yè)，承受著來自海洋環(huán)境的風(fēng)、波、流等復(fù)雜環(huán)境載荷，針對深海采礦系統(tǒng)的特點(diǎn)，以長達(dá)千米的水下?lián)P礦管線的環(huán)境載荷計算為研究重點(diǎn)，詳細(xì)研究了深海采礦系統(tǒng)所受海洋環(huán)境載荷的處理分析方法。 2.針對采礦系統(tǒng)揚(yáng)礦管線工作過程中大位移、小變形的幾何非線性特性以及系統(tǒng)聯(lián)動過程動力學(xué)性能實時快速分析的需求，采用多剛體離散元方法研究長達(dá)千米的揚(yáng)礦管線

4、系統(tǒng)的建模，形成了基于三維離散元模型的管線系統(tǒng)動力學(xué)分析方法，首次實現(xiàn)了揚(yáng)礦管線系統(tǒng)的三維快速動力學(xué)分析。并通過若干典型算例進(jìn)行了考證，算例證明采用三維離散元模型對管線系統(tǒng)進(jìn)行計算分析是行之有效的。 3.根據(jù)深海采礦系統(tǒng)邊界載荷條件和基于離散元的揚(yáng)礦管線建模方法，以1000m海試為工程研究對象，利用大型商業(yè)動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS，成功建立了1000m海試整體系統(tǒng)虛擬樣機(jī)。并分別開展了陸上物理模型考題試驗和水池物理模型考題試

5、驗，驗證虛擬樣機(jī)研究中的建模方法及編制的仿真程序是正確與可信的。 4.利用所建立的1000m海試整體系統(tǒng)虛擬樣機(jī)，針對可能的采礦作業(yè)及過程，成功進(jìn)行了1000m海試系統(tǒng)整體聯(lián)動動力學(xué)仿真和性能分析，可為系統(tǒng)的研制和開采作業(yè)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。通過與有限元分析方法對比，結(jié)果表明計算精度相當(dāng)?shù)那闆r下，采用多剛體動力學(xué)方法計算速度較有限元方法提高近8倍，改善了計算效率，便于將來向?qū)崟r計算分析的方向發(fā)展，為深海采礦系統(tǒng)動力學(xué)性能實時