深海资源开采系统球铰硬管接头的设计及系统横向运动分析

论文摘要

本文分析了国内外开发的扬矿系统中的联接装置的优缺点。由于海洋环境和作业条件的影响,扬矿管体承受着巨大的弯矩。为了消除弯矩的不良影响,本文提出并设计了一种新的联接装置——球铰接头,其设计特点是扬矿管接头没有焊接部件,联接强度高,拆装快捷,可多次重复使用。该接头使扬矿管只受轴向力,不受弯矩和扭矩,相当于柔性管。论文对球铰接头做了详尽的性能分析,进行了关键零件和部位的受力分析和安全校核。提出了防腐措施。用能量损失法分析了螺纹脂密封性能。用有限元法分析了螺纹的滑脱失效。分析结果表明,所研制的球铰式接头能够满足中试系统的作业要求。论文以球铰的三维接触问题为切入点,研究了三维接触应力的计算方法。根据变分原理和虚功原理推出了两个球面接触的刚度方程式,并补充了接触条件,得到了四种状态下的定解条件。采用面对面的接触单元作为分析单元。对于接触面上的摩擦问题,则建立了简化的粘滑摩擦理想模型来进行模拟计算。最终计算出了研究对象接触面上的接触应力。本文基于修正后的莫里森方程,用数值积分的方法,采用常深度二维小振幅线性波理论,研究了四级和六级海况下,液动力随着水深和时间的变化关系。为了考查采用新型接头的效果,本文分别建立了刚性联接和铰接联接两种情况下的静力和动力特性变分数学模型,联合使用有限元和虚拟仿真两种技术,建立计算机分析模型,以海浪周期为8秒和10秒为例,详细分析和比较了刚性和铰接两种联接方式下扬矿管路系统的横向偏移特性。对刚性联接扬矿管路系统横向运动进行仿真分析时,选用管单元来模拟扬矿管。得到了两种海况下扬矿系统水平稳态偏移构型,系统的最大水平偏移发生在扬矿管底端,8秒周期海况下为2.1米,偏移角度为0.14。10秒周期海况下为3.3米,偏移角度为0.21。整体偏移量随着海水绝对深度的增加而增加。对铰接扬矿管路系统横向运动进行仿真分析时,用曲线拟合其水平受力状况。分析得出系统偏移在总体上呈周期性变化,8秒周期海况下大约为50秒。最大偏移量为6.3米,偏移角度为0.40。10秒周期海况下周期大约为57秒。最大偏移量为5.9米,偏移角度为0.38。以螺纹联接的扬矿管系统虽然横向偏移较小,但管体承受着一定的弯矩,这对设备的强度和可靠性是不利的。如果采用铰接式扬矿管联接装置,则扬矿管只受轴向力,但系统的横向偏移稍大。不过总体偏移角度仍然很小,只要在设计球铰联接装置时,预留一定的转角余量,则可满足要求。这对整个系统采用球铰联接提供了依据。为了验证计算结果的正确性,完成了1000米扬矿硬管系统1:100模型的运动状态试验和球铰接头1:1模型的力学试验。结果表明仿真分析结果是正确的,并能够满足中试系统的工作要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图或附表清单
• 1 绪论
• 1.1 海底丰富的矿产资源
• 1.2 国外深海资源开采系统研究现状
• 1.3 我国深海资源开采系统研究现状
• 1.4 选题来源和意义
• 1.5 本论文研究的主要内容
• 1.5.1 中试采矿1000 米海上试验系统方案
• 1.5.2 扬矿管硬管接头力学分析
• 1.5.3 扬矿管硬管接头的结构设计
• 1.5.4 对铰接式接头的球铰接触面的接触应力进行数值计算
• 1.5.5 扬矿管运动状态仿真分析
• 1.5.6 扬矿管硬管接头和硬管与软管接头的强度与运动状态试验
• 本章小结
• 2 扬矿硬管系统总体参数及其所受液动力数值分析
• 2.1 中试采矿1000 米海上试验系统总体参数
• 2.2 中试硬管系统受力分析
• 2.2.1 重力载荷及硬管系统内外压强
• 2.2.2 扬矿管水平液动力分析和计算
• 本章小结与主要结论
• 3 扬矿硬管铰接接头的设计
• 3.1 国外扬矿管及套管接头的研究现状
• 3.1.1 美国海德里尔公司发明的两极柱螺纹接头
• 3.1.2 日本住友公司生产的VAMACE 接头
• 3.1.3 日本住友公司生产的VAMACE 接头
• 3.1.4 日本住友公司生产的VAMACE 接头
• 3.1.5 日本川崎制铁公司的FOX 接头
• 3.2 中试系统新型扬矿硬管球铰接头的设计
• 3.2.1 固接式扬矿管路系统所受弯矩的分析和计算
• 3.2.2 扬矿管接头的结构设计
• 3.2.3 扬矿管接头的防腐蚀设计
• 3.2.4 铰接接头的性能分析
• 本章小结与主要结论
• 4 接触应力分析
• 4.1 接触应力研究现状
• 4.2 三维接触问题有限元法
• 4.3 有限元法在球铰接触应力分析中的应用
• 本章小结与主要结论
• 5 扬矿管路系统横向运动的虚拟仿真分析
• 5.1 扬矿管路系统横向运动研究现状
• 5.2 有限元和虚拟技术概述
• 5.3 扬矿管路系统数学建模
• 5.3.1 刚性联接的扬矿管路系统数学建模
• 5.3.2 铰接接头联接的扬矿管路系统数学建模
• 5.4 刚性联接扬矿管路系统横向运动仿真分析
• 5.4.1 几何模型
• 5.4.2 约束
• 5.4.3 受力
• 5.4.4 仿真结果分析
• 5.5 铰接扬矿管路系统横向运动仿真分析
• 5.5.1 几何模型
• 5.5.2 约束
• 5.5.3 受力
• 5.5.4 仿真结果分析
• 本章小结与结论
• 6 管接头力学性能试验
• 6.1 试验装置
• 6.2 试验数据采集
• 6.3 试验结果与分析
• 6.4 试验与有限元分析结果的比较
• 本章小结与主要结论
• 7 扬矿管路系统横向运动的试验验证
• 7.1 试验方案及目的
• 7.2 试验装置
• 7.3 试验方法和步骤
• 7.4 试验数据处理及其分析结果
• 7.4.1 正弦机构周期为8 秒时的试验结果
• 7.4.2 正弦机构周期为10 秒时的试验结果
• 本章小结与主要结论
• 主要研究工作与结论
• 参考文献
• 附录A Ansys 分析命令流
• 附录B 四级海况液动力数值函数模拟优化程序
• 附录C 六级海况液动力数值函数模拟优化程序
• 在学研究成果
• 致谢