深海采礦作業(yè)過程揚(yáng)礦管線系統(tǒng)空間構(gòu)形與動(dòng)態(tài)特性研究.pdf

1、陸地上礦物資源的逐漸枯竭成為進(jìn)行強(qiáng)有力海洋采礦研究的重要?jiǎng)訖C(jī)。在復(fù)雜海洋環(huán)境因素影響下將深海多金屬結(jié)核連續(xù)、高效地采集并輸送到海面采礦船上，同時(shí)要求開采系統(tǒng)具有高度可靠性和商業(yè)應(yīng)用價(jià)值，是目前深海采礦面臨的主要研究課題之一。管道提升式深海采礦系統(tǒng)是目前被國際廣泛認(rèn)可的典型深海多金屬結(jié)核開采系統(tǒng)。自20世紀(jì)70年代，國際上各研究機(jī)構(gòu)對(duì)這種采礦系統(tǒng)開展了大量的研究與海洋試驗(yàn)。中國深海多金屬結(jié)核開采1000m海試系統(tǒng)亦采用集礦機(jī)與管道提升相結(jié)

2、合的采礦方式，其揚(yáng)礦系統(tǒng)是由揚(yáng)礦硬管、揚(yáng)礦泵、中間倉、柔性軟管等多體組合的復(fù)雜長管線系統(tǒng)。 在海洋采礦作業(yè)過程中，揚(yáng)礦管線系統(tǒng)既受到包括海洋環(huán)境載荷在內(nèi)的各種復(fù)雜外部載荷作用，又受到海面采礦船和海底集礦機(jī)作業(yè)運(yùn)動(dòng)的影響，因此無論是在布放回收還是在拖航作業(yè)過程中，其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性都十分復(fù)雜。作者結(jié)合國家深海技術(shù)發(fā)展項(xiàng)目相關(guān)課題，采用有限元法對(duì)深海采礦揚(yáng)礦管線系統(tǒng)作業(yè)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究管線空間構(gòu)形和動(dòng)態(tài)特性。主要研究內(nèi)容如下

3、： 1.多體組合的深海采礦揚(yáng)礦管線系統(tǒng)各部分主體結(jié)構(gòu)之間力學(xué)耦合，根據(jù)中國深海采礦1000m海試系統(tǒng)總體方案和作業(yè)規(guī)劃，針對(duì)揚(yáng)礦系統(tǒng)各部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、聯(lián)接方式和作業(yè)條件，研究多體組合的揚(yáng)礦管線系統(tǒng)在復(fù)雜外部載荷和作業(yè)聯(lián)動(dòng)作用下的力學(xué)建模。柔性復(fù)合軟管作為揚(yáng)礦管線系統(tǒng)的重要組成部分，其建模方法對(duì)整體揚(yáng)礦系統(tǒng)作業(yè)聯(lián)動(dòng)分析的計(jì)算效率和精度影響很大。針對(duì)柔性復(fù)合軟管抗拉剛度大，抗彎剛度小的宏觀特性，提出了基于空間管梁有限元模型的單元耦合

4、建模方法，建立了包括揚(yáng)礦硬管、柔性軟管、中間倉及揚(yáng)礦泵等多體組合的揚(yáng)礦管線系統(tǒng)有限元模型，為整體揚(yáng)礦管線系統(tǒng)布放回收和拖航作業(yè)過程動(dòng)力學(xué)分析提供了一種較精確的力學(xué)分析模型。 2.揚(yáng)礦管線有限元模型的外部載荷包括重力、浮力、海洋液動(dòng)力、內(nèi)外流體壓力、內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力、泵工作產(chǎn)生的軸向力和扭矩、軟管的集中吊掛浮力等，在整體作業(yè)聯(lián)動(dòng)過程分析中，還包括采礦船和集礦機(jī)的運(yùn)動(dòng)載荷，以及布放回收作業(yè)中管線的運(yùn)動(dòng)載荷。揚(yáng)礦管在海洋中受到

5、波浪和海流聯(lián)合作用的液動(dòng)力載荷是揚(yáng)礦管線主要的環(huán)境載荷，在海洋工程結(jié)構(gòu)中屬小直徑管柱的流體動(dòng)力問題。作者基于Morison公式研究了波浪與海流聯(lián)合作用下?lián)P礦管液動(dòng)力載荷計(jì)算方法，同時(shí)給出了在大型低噪聲循環(huán)水槽中進(jìn)行的1000m海試系統(tǒng)中帶附管揚(yáng)礦管的流體動(dòng)力系數(shù)試驗(yàn)方法和測(cè)定結(jié)果。 3.在變形過程中伴隨有大位移和有限旋轉(zhuǎn)的空間管梁結(jié)構(gòu)的幾何非線性有限元分析方法有全拉格朗日法（TL），更新拉格朗日法（UL）和隨體旋轉(zhuǎn)法（CR）等。

6、研究分析了拉格朗日法與隨體旋轉(zhuǎn)法各自的特點(diǎn)，給出了Rankin等推導(dǎo)的隨體旋轉(zhuǎn)法求解原理，并選用該方法求解揚(yáng)礦管線的幾何非線性問題。 4.基于多體組合的揚(yáng)礦管線有限元模型，采用靜態(tài)分析方法對(duì)軟管的空間構(gòu)形進(jìn)行研究，為揚(yáng)礦管線系統(tǒng)布放回收和拖航作業(yè)過程動(dòng)態(tài)分析提供基本參數(shù)。在軟管空間構(gòu)形的影響因素中，軟管集中吊掛浮力配置方式對(duì)其水下空間構(gòu)形的影響很大。在綜合考慮軟管空間構(gòu)形、軟管下端對(duì)集礦機(jī)作用力、軟管下端偏轉(zhuǎn)角度等多種因素基礎(chǔ)上

7、，研究了較優(yōu)的軟管集中吊掛浮力配置方案，包括浮力大小、配置比例、浮力體吊掛位置等。 5.在布放回收作業(yè)過程中揚(yáng)礦管線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)和力學(xué)特性發(fā)生著快速變化，開展了揚(yáng)礦管線布放回收過程數(shù)值模擬的探索性研究。針對(duì)布放過程中集礦機(jī)著底后管線系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析，建立了相應(yīng)的有限元初始化模型，并對(duì)不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)下布放作業(yè)中的管線形態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。研究發(fā)現(xiàn)：較低的管線布放速度可以明顯改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；某些布放方式可能導(dǎo)致軟管

8、產(chǎn)生堆積纏繞現(xiàn)象，對(duì)此論文提出了相應(yīng)的避免措施；管線回收作業(yè)的數(shù)值模擬過程基本上是布放作業(yè)過程模擬的逆過程，其動(dòng)力學(xué)特性亦具有可比性。 6.對(duì)多種運(yùn)動(dòng)參數(shù)下的揚(yáng)礦管線作業(yè)聯(lián)動(dòng)特性和3種典型連續(xù)軌跡的拖航作業(yè)模式進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)了揚(yáng)礦管線系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷組合作用下時(shí)程變化的位移、作用力及應(yīng)力的求解。研究表明：拖航速度越高，揚(yáng)礦硬管偏轉(zhuǎn)角度和中間倉的橫向偏移越大，軟管馬鞍型形態(tài)畸變程度也相應(yīng)增大；在低于0.5

9、m/s速度下拖航，中間倉的拖曳軌跡與采礦船運(yùn)動(dòng)軌跡基本一致，系統(tǒng)的跟隨性較好。 7.由于海試系統(tǒng)的軟管布放長度會(huì)根據(jù)實(shí)際水深適當(dāng)調(diào)整，且中間倉距海底高度隨海底地形變化，因此以中間倉為中心，建立了集礦機(jī)動(dòng)態(tài)安全域。將軟管布放長度和中間倉距海底高度在其變化值范圍內(nèi)離散化，并根據(jù)有限元分析結(jié)果，建立了集礦機(jī)動(dòng)態(tài)安全域參數(shù)實(shí)時(shí)查詢表，可供作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)用。 8.為了驗(yàn)證揚(yáng)礦管線建模方法的正確性，采用一個(gè)與1000m海試揚(yáng)礦管