导　　师： 刘少军

学科专业： H0203

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 中南大学

摘　　要： 陆地上矿物资源的逐渐枯竭成为进行强有力海洋采矿研究的重要动机。在复杂海洋环境因素影响下将深海多金属结核连续、高效地采集并输送到海面采矿船上,同时要求开采系统具有高度可靠性和商业应用价值,是目前深海采矿面临的主要研究课题之一。管道提升式深海采矿系统是目前被国际广泛认可的典型深海多金属结核开采系统。自20世纪70年代,国际上各研究机构对这种采矿系统开展了大量的研究与海洋试验。中国深海多金属结核开采1000m海试系统亦采用集矿机与管道提升相结合的采矿方式,其扬矿系统是由扬矿硬管、扬矿泵、中间仓、柔性软管等多体组合的复杂长管线系统。在海洋采矿作业过程中,扬矿管线系统既受到包括海洋环境载荷在内的各种复杂外部载荷作用,又受到海面采矿船和海底集矿机作业运动的影响,因此无论是在布放回收还是在拖航作业过程中,其运动学和动力学特性都十分复杂。作者结合国家深海技术发展项目相关课题,采用有限元法对深海采矿扬矿管线系统作业过程进行数值模拟,研究管线空间构形和动态特性。主要研究内容如下:1.多体组合的深海采矿扬矿管线系统各部分主体结构之间力学耦合,根据中国深海采矿1000m海试系统总体方案和作业规划,针对扬矿系统各部分的结构特点、联接方式和作业条件,研究多体组合的扬矿管线系统在复杂外部载荷和作业联动作用下的力学建模。柔性复合软管作为扬矿管线系统的重要组成部分,其建模方法对整体扬矿系统作业联动分析的计算效率和精度影响很大。针对柔性复合软管抗拉刚度大,抗弯刚度小的宏观特性,提出了基于空间管梁有限元模型的单元耦合建模方法,建立了包括扬矿硬管、柔性软管、中间仓及扬矿泵等多体组合的扬矿管线系统有限元模型,为整体扬矿管线系统布放回收和拖航作业过程动力学分析提供了一种较精确的力学分析模型。2.扬矿管线有限元模型的外部载荷包括重力、浮力、海洋液动力、内外流体压力、内部流体运动产生的摩擦力、泵工作产生的轴向力和扭矩、软管的集中吊挂浮力等,在整体作业联动过程分析中,还包括采矿船和集矿机的运动载荷,以及布放回收作业中管线的运动载荷。扬矿管在海洋中受到波浪和海流联合作用的液动力载荷是扬矿管线主要的环境载荷,在海洋工程结构中属小直径管柱的流体动力问题。作者基于Morison公式研究了波浪与海流联合作用下扬矿管液动力载荷计算方法,同时给出了在大型低噪声循环水槽中进行的1000m海试系统中带附管扬矿管的流体动力系数试验方法和测定结果。3.在变形过程中伴随有大位移和有限旋转的空间管梁结构的几何非线性有限元分析方法有全拉格朗日法(TL),更新拉格朗日法(UL)和随体旋转法(CR)等。研究分析了拉格朗日法与随体旋转法各自的特点,给出了Rankin等推导的随体旋转法求解原理,并选用该方法求解扬矿管线的几何非线性问题。4.基于多体组合的扬矿管线有限元模型,采用静态分析方法对软管的空间构形进行研究,为扬矿管线系统布放回收和拖航作业过程动态分析提供基本参数。在软管空间构形的影响因素中,软管集中吊挂浮力配置方式对其水下空间构形的影响很大。在综合考虑软管空间构形、软管下端对集矿机作用力、软管下端偏转角度等多种因素基础上,研究了较优的软管集中吊挂浮力配置方案,包括浮力大小、配置比例、浮力体吊挂位置等。5.在布放回收作业过程中扬矿管线系统的结构形态和力学特性发生着快速变化,开展了扬矿管线布放回收过程数值模拟的探索性研究。针对布放过程中集矿机着底后管线系统的动态特性分析,建立了相应的有限元初始化模型,并对不同运动参数下布放作业中的管线形态和动态特性进行瞬态动力学分析。研究发现:较低的管线布放速度可以明显改善系统的动态特性;某些布放方式可能导致软管产生堆积缠绕现象,对此论文提出了相应的避免措施;管线回收作业的数值模拟过程基本上是布放作业过程模拟的逆过程,其动力学特性亦具有可比性。6.对多种运动参数下的扬矿管线作业联动特性和3种典型连续轨迹的拖航作业模式进行了动力学分析,实现了扬矿管线系统在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷组合作用下时程变化的位移、作用力及应力的求解。研究表明:拖航速度越高,扬矿硬管偏转角度和中间仓的横向偏移越大,软管马鞍型形态畸变程度也相应增大;在低于0.5m/s速度下拖航,中间仓的拖曳轨迹与采矿船运动轨迹基本一致,系统的跟随性较好。7.由于海试系统的软管布放长度会根据实际水深适当调整,且中间仓距海底高度随海底地形变化,因此以中间仓为中心,建立了集矿机动态安全域。将软管布放长度和中间仓距海底高度在其变化值范围内离散化,并根据有限元分析结果,建立了集矿机动态安全域参数实时查询表,可供作业监控系统实时调用。8.为了验证扬矿管线建模方法的正确性,采用一个与1000m海试扬矿管线系统特征相似的拖曳水池实验模型,根据相同的管线建模方法建立了实验系统的有限元模型。选择有代表性的有流试验和无流试验两种实验测试结果与计算结果作比较,应力计算结果与实验测量结果相吻合。上述研究结果为深海多金属结核1000m海试开采系统的设计及其作业规化提供了基本参数和理论依据,同时研究方法为类似海洋工程长管线作业系统的研究提供了思路。

关 键 词： 深海采矿 扬矿管线 空间构形 动态特性 几何非线性

分 类 号： [TD424]

领　　域： [矿业工程]