深海采矿扬矿管道系统力学行为模拟试验系统研究

论文摘要

随着陆地资源的日趋枯竭,世界资源开发的战略眼光开始聚集到海洋上。对于正逐步崛起的世界新兴经济体之一的中国来说,开发深海矿产资源正成为影响国家长远发展的一项重大课题。深海采矿扬矿管道系统是深海采矿系统的重要组成部分,包括升沉补偿装置、扬矿硬管、中间仓、提升泵及软管。论文以大洋多金属结核开采及我国采矿系统技术方案为工程背景,针对深海采矿扬矿管道系统动力学问题,提出了扬矿管系力学行为模拟试验研究方案,并在此基础上建立了一套模拟试验研究系统,旨在完成升沉补偿模拟试验、扬矿管道力学行为性能分析模拟试验、布放回收过程水动力学性能分析模拟试验等等,可对计算机仿真进行验证,提供仿真的边界条件以及水动力系数等等,为未来的采矿作业和海试提供理论分析与技术参考。论文的主要研究内容如下：1.进行了深海采矿扬矿管道系统力学行为模拟试验系统的方案设计,提出一种便于在实验室开展的模拟试验系统方案,即采矿船运动模拟器方案,用Stewart六自由度平台模拟采矿船在海面的运动,在此基础上进行各项模拟试验研究。2.提出了深海采矿扬矿管系动力学分析模拟试验系统的功能要求,分别提出了升沉补偿模拟试验、扬矿管道力学行为性能分析模拟试验、布放回收过程水动力学性能分析模拟试验的方案设计,最后提出了可以进行这三种模拟试验的试验平台的实验室建设方案。3.对海浪进行研究,并确定采矿船在随机海浪中的响应。根据采矿船在随机海浪中的响应,依据相似原理,确定采矿船运动模拟器的参数,研制了一台采矿船运动模拟器,以实现采矿船在海浪中横摇、纵摇、升沉运动以及试验时需要的任意运动姿态(油缸行程范围内)。采矿船运动模拟器采用PID控制,为了确定PID控制参数,建立了阀控缸系统的数学模型,并用试验验证了该数学模型的合理性。在此数学模型的基础上,进行了Simulink中参数的初步调整和试验中进一步调整,确定了PID控制器参数,以达到最佳控制效果。最后进行了采矿船运动模拟器的性能测试,结果表明,该运动模拟器可以在预定的轨迹下按照一定的幅度和周期运动,能够用于模拟采矿船在海面的随机运动。4.提出升沉补偿模拟试验系统的具体方案设计,升沉补偿采用主动电液系统,纵横摇补偿采用万向架平台,并在此基础上建立了升沉补偿模拟试验系统。采用PID控制方法,进行了Simulink中参数的初步调整和试验中进一步调整,确定了PID控制器参数。进行了不同海况下的采矿船运动模拟器简谐运动及随机运动的升沉补偿试验,升沉补偿的效果超过了预期的目标,对影响升沉补偿效果的因素进行了研究。5.对采矿系统布放回收过程中水动力学的模拟试验系统进行了具体的方案设计,在采矿船运动模拟器的基础上建立了模拟试验系统,进行了布放过程入水工矿的模拟试验,试验结果验证了仿真结果的正确性。本文研究为扬矿管系动力学问题的研究提供了一个有效的实验室模拟试验平台。提出并实现了深海采矿扬矿管系力学行为模拟试验研究系统,进行了升沉补偿模拟试验及布放回收过程水动力学性能分析模拟试验。论文为解决深海采矿扬矿管系动力学研究问题提供了新的研究手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外深海采矿系统发展历程与现状
• 1.3 国内外深海采矿模拟试验系统研究发展情况
• 1.3.1 国外典型深海采矿模拟试验系统
• 1.3.2 中国深海采矿系统及模拟试验研究情况
• 1.3.3 深海采矿系统动力学问题研究及模拟试验需求
• 1.4 本文研究内容与章节安排
• 第二章 深海采矿扬矿管系力学行为模拟试验系统方案研究
• 2.1 管道提升式深海采矿系统的基本构成及中国深海采矿系统
• 2.2 深海采矿作业中扬矿管系的动力学问题
• 2.3 深海采矿扬矿管系动力学分析模拟试验系统的功能要求及方案研究
• 2.3.1 采矿船的运动及其运动模拟方案研究
• 2.3.2 升沉补偿及其模拟试验方案研究
• 2.3.3 扬矿管道力学行为分析模拟试验方案研究
• 2.3.4 布放回收过程水动力学性能分析模拟试验方案研究
• 2.3.5 深海采矿动力学分析模拟试验整体系统及设计方案
• 2.4 本章小结
• 第三章 采矿船运动模拟系统分析及其运动模拟器的研制
• 3.1 我国矿区实际海况及海浪的描述
• 3.1.1 我国深海矿区开采环境
• 3.1.2 海浪的参数化描述
• 3.2 海浪作用下采矿船的运动响应分析
• 3.2.1 采矿船的横摇运动及参数分析
• 3.2.2 采矿船的纵摇运动及参数分析
• 3.2.3 采矿船的升沉运动及参数分析
• 3.3 采矿船运动模拟器的设计和研制
• 3.3.1 基本结构与参数设计
• 3.3.2 液压驱动系统设计
• 3.3.3 测控系统设计
• 3.4 采矿船运动模拟的实现
• 3.4.1 采矿船运动模拟器的控制方法
• 3.4.2 六自由度平台运动的正反解
• 3.4.3 阀控缸系统的数学模型
• 3.4.4 数学模型的验证
• 3.4.5 PID控制参数的确定
• 3.5 采矿船运动模拟器的性能测试
• 3.5.1 电液比例阀对执行缸的控制性能测试
• 3.5.2 采矿船运动模拟性能试验测试
• 3.6 本章小结
• 第四章 升沉补偿模拟试验系统的研制及模拟试验研究
• 4.1 升沉补偿模拟试验系统参数的相似设计
• 4.2 升沉补偿模拟试验系统的设计与研制
• 4.2.1 纵横摇补偿万向架设计
• 4.2.2 升沉补偿电液比例阀控缸系统设计
• 4.2.3 扬矿管线模拟系统设计
• 4.2.4 测控系统设计
• 4.3 升沉补偿控制方法及实现
• 4.3.1 升沉补偿PID控制器的设计
• 4.3.2 升沉补偿系统数学模型
• 4.3.3 PID控制参数的确定
• 4.4 升沉补偿系统的模拟试验研究
• 4.4.1 简谐波作用下的升沉补偿模拟试验
• 4.4.2 随机波作用下的升沉补偿模拟试验
• 4.5 本章小结
• 第五章 采矿系统布放回收过程水动力性能分析模拟试验系统设计与功能实现
• 5.1 采矿系统布放回收及其水动力学模拟试验方案
• 5.2 采矿系统布放过程入水工况的模拟试验
• 5.2.1 驱动装置的性能测试
• 5.2.2 布放过程入水工况的模拟试验
• 5.2.3 模拟试验结果与仿真结果的对比
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文研究内容总结
• 6.2 论文创新点
• 6.3 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢