深海采矿矿石输送软管浮力球壳设计研究

论文摘要

21世纪是人类全面开发和利用海洋的世纪。占地球表面49%、约212亿平方公里的国际海底区域,蕴藏着丰富的战略金属、能源和生物资源,其中包括锰结核和钴结壳等。随着陆地资源的日益枯竭和人类对海洋认识的深化,国际海底区域逐渐成为各国关注的重要战略目标。我国于1999年3月最终圈定了7.5万平方公里的大洋采矿“合同区”,加紧对深海采矿技术的研究,于2001年在昆明抚仙湖进行了多金属采矿系统的综合湖上试验,于2004年11月完成了1000m海上试验系统技术设计。本文针对深海采矿系统输送软管的浮力材料进行研究。查阅我国深海用浮力材料的有关文献发现,对其进行的研究还处于实验室阶段,还没有形成系列产品,且在2006年863专题课题申请计划中设置了大深度浮力材料研究专题,对不同深度浮力材料的密度和强度提出了一些技术要求。通过比较,本文提出用低密度、高强度的钛合金和铝合金制成的空心浮力球壳为软管管道提供净浮力,使输送软管在深海作业时形成良好的形状。本文首先针对浮力球壳的实际情况,推导出其变形和内外力之间的关系,并计算出满足大深度浮力材料密度要求的球壳参数。考虑到浮力球壳在深海工作时其主要失效形式为屈曲,利用有限元软件对其进行屈曲分析,并从不充气浮力球壳和充气浮力球壳两个方面进行研究。对于不充气浮力球壳的屈曲分析,首先通过对实际球壳的简化和有限元参数的比较,提出了一个合理的有限元分析模型;然后利用ANSYS的屈曲分析功能对一系列厚度半径比的浮力球壳进行分析,从而得到满足要求的不充气浮力球壳密度范围和最大可潜深度。屈曲分析过程中,考虑了初始缺陷、材料等因素对极限载荷的影响。为了提高进一步浮力球壳的可潜深度,本文在最后一部分对充气浮力球壳进行分析。通过比较,选择低密度的氦气作为空心球壳的高压气体,并利用专门的氦气压缩机对球壳进行充气;利用与不充气浮力球壳同样的有限元分析方法对充气浮力球壳进行分析,得到不同充气压强下满足要求的球壳密度范围和最大可潜深度,并与863大深度浮力材料技术指标进行比较,得到了一些有价值的结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 深海采矿系统及其输送软管浮力分布的国内外研究现状
• 1.1.1 硬管采矿系统及其浮力分布情况
• 1.1.2 软管采矿系统及其浮力分别情况
• 1.2 浮力材料的国内外研究现状
• 1.2.1 浮力材料的国外研究情况
• 1.2.2 浮力材料的国内研究情况
• 1.3 课题来源和研究内容
• 1.4 课题研究意义
• 第二章 浮力球壳的基本理论
• 2.1 浮力壳体的选取
• 2.2 球壳材料的选择
• 2.3 浮力球壳的数学分析
• 2.3.1 球壳的几何关系
• 2.3.2 球壳的弹性关系
• 2.3.3 球壳的静力平衡方程式
• 2.3.4 均匀压力下球壳的应力、应变和位移
• 2.3.5 浮力球壳平均密度和净浮力公式
• 2.4 本章小结
• 第三章 球壳的稳定性理论
• 3.1 稳定性的基本理论
• 3.1.1 稳定性问题的分类及失稳准则
• 3.1.2 薄壳的弹性稳定性理论
• 3.1.3 薄壳的塑性稳定性理论
• 3.2 球壳稳定性的经典理论公式
• 3.3 稳定性分析的有限元理论
• 3.3.1 特征值屈曲分析
• 3.3.2 非线性屈曲分析
• 3.4 本章总结
• 第四章 不充气浮力球壳的屈曲分析
• 4.1 有限元分析建模
• 4.1.1 实体建模
• 4.1.2 单元选取和网格的划分
• 4.1.3 边界处理和载荷的施加
• 4.1.4 材料特性
• 4.1.5 有限元模型
• 4.2 浮力球壳的屈曲分析
• 4.2.1 浮力球壳的特征值屈曲分析
• 4.2.2 浮力球壳的非线性屈曲分析
• 4.3 满足不同浮力要求的浮力球壳参数
• 4.4 本章小结
• 第五章 充气浮力球壳的屈曲分析
• 5.1 高压气体和充气设备的选择
• 5.2 充气浮力球壳结构参数
• 5.3 充气浮力球壳的屈曲分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 完成的主要工作
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果
• 发表和完成的论文