6000m深海采矿系统扬矿管线的拖曳特性研究

论文摘要

大洋多金属结核是一种具有很大开采价值的深海矿产资源,广泛分布于大洋4000m—6000m深的海底,储量非常大。在开发这种海洋资源的各种可能采矿系统中,水力提升系统最为实用,也是我国大洋采矿提升技术主要的研究方向。它由集矿子系统、扬矿子系统、遥测遥控子系统和洋面保障子系统等组成。扬矿子系统是大洋采矿系统中的重要组成部分,它直接影响结核的输送、采矿效率、提升能力、可靠性及作业操作。本文针对深海采矿水力提升系统中扬矿系统的受力情况,对扬矿系统在各种工况条件下的拖曳特性进行了分析研究。主要内容包括:(1)分析了扬矿系统所受的各种载荷和边界条件,建立了扬矿系统的力学模型;(2)基于Morsion方程,推导了扬矿管在倾斜状态下液动力的计算方法,同时说明了阻力系数的选取;(3)介绍了有限元的基本思想,建立了阶梯状扬矿系统几何非线性有限元模型,推到了空间梁单元的刚度矩阵及整体刚度矩阵;(4)对扬矿系统在不同工况下的拖曳特性进行了数值求解,并做了比较分析,得出了集矿机的作业范围以及受力范围;(5)对扬矿系统进行了模拟试验研究。本论文对扬矿系统所做的仿真分析方法及结果,对深海采矿系统的研究开发具有参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及趋势
• 1.2.1 国外深海采矿方案及力学分析研究
• 1.2.2 国内深海采矿方案及力学分析研究
• 1.3 本文研究的主要内容与基本结构
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 论文基本结构
• 1.4 本章小结
• 第二章 扬矿系统力学模型
• 2.1 前言
• 2.2 扬矿系统的设计模型
• 2.3 扬矿系统的受力分析
• 2.3.1 扬矿系统液动力分析
• 2.3.2 扬矿系统液动力载荷计算
• 2.3.3 扬矿系统阻力系数
• 2.3.4 扬矿系统外部载荷计算
• 2.4 本章小结
• 第三章 扬矿系统有限元建模研究
• 3.1 有限元分析的基本原理
• 3.1.1 有限元的基本思想
• 3.1.2 有限元分析的基本步骤
• 3.2 有限单元模型构成
• 3.2.1 单元划分
• 3.2.2 材料参数
• 3.2.3 边界条件
• 3.2.4 水泵和中间仓的模拟
• 3.2.5 管接头的处理
• 3.2.6 附着电缆的处理
• 3.3 有限单元法的基本过程
• 3.4 空间梁单元的刚度矩阵
• 3.4.1 梁单元的刚度矩阵
• 3.4.2 系统单元刚度矩阵的坐标变换
• 3.4.4 系统整体刚度矩阵
• 3.5 本章小结
• 第四章 扬矿系统拖曳特性分析
• 4.1 波流联合作用下扬矿系统拖曳特性分析
• 4.1.1 扬矿管与采矿船固接时拖曳特性
• 4.1.2 扬矿管与采矿船铰接时拖曳特性
• 4.2 采矿船逆流匀速拖航时扬矿系统拖曳特性分析
• ship=0.5m/s逆流拖航时扬矿系统拖曳特性'>4.2.1 u_ship=0.5m/s逆流拖航时扬矿系统拖曳特性
• ship=1m/s逆流拖航时扬矿系统拖曳特性'>4.2.2 u_ship=1m/s逆流拖航时扬矿系统拖曳特性
• 4.3 采矿船顺流匀速拖航时扬矿系统拖曳特性分析
• ship=0.5m/s顺流拖航时扬矿系统拖曳特性'>4.3.1 u_ship=0.5m/s顺流拖航时扬矿系统拖曳特性
• ship=1m/s顺流拖航时扬矿系统拖曳特性'>4.3.2 u_ship=1m/s顺流拖航时扬矿系统拖曳特性
• 4.4 中间仓与管道固接时扬矿系统拖曳特性分析
• 4.4.1 采矿船静止时中间仓附近节点受力
• ship=0.5m/s逆流时中间仓附近节点受力'>4.4.2 u_ship=0.5m/s逆流时中间仓附近节点受力
• ship=1m/s逆流时中间仓附近节点受力'>4.4.3 u_ship=1m/s逆流时中间仓附近节点受力
• 4.5 本章小结
• 第五章 实验与结果分析
• 5.1 测试方案设计
• 5.1.1 实验设备
• 5.1.2 实验模型
• 5.1.3 测试点安排及贴片分布
• 5.1.4 静态测试过程
• 5.1.5 数据处理与分析
• 5.2.实验仿真分析
• 5.2.1 仿真建模
• 5.2.2 仿真结果
• 5.3.实验值与仿真结果比较
• 5.3.1 应力比较
• 5.3.2 形态比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果