采矿船井架底座吊点静载力实验方案研究

地球上海洋矿产资源丰富,而海洋矿产资源的开发离不开采矿船。我国造船技术领先全球,但深海采矿船的设计与建造尚缺少相关经验。采矿船井架底座是井架的基础,船东对井架底座的强度和精度要求很高,给井架底座的建造带来极大挑战。本文以采矿船井架底座吊点静载力实验方案设计为例,阐述计算过程、实验方法,吊机配载等,为后续类似实验提供参考与借鉴。

深海矿产采集车研究进展及关键技术分析

深海矿产采集车通过执行“切割-破碎-采集”作业实现深海固体矿产资源的开发,是水力管道提升式深海矿产开采系统的重要组成部分。恶劣的深海矿区作业环境和商业化开采目标对深海矿产采集车的作业、行进等性能提出了极高要求,需要具备大水深作业、自主移动、环境与状态监测等功能。文章对深海矿产采集车的系统组成进行阐述,分析深海矿产采集车的研究现状及存在的主要问题,并围绕深海矿产采集车设计优化、高品位开采、组合定位导航等关键技术开展探讨,并据此提出采集车的发展趋势。

中国首台深海采矿车即将千米海试

据2月27日报道,中国船舶第七〇二所最新研制的我国首台深海采矿车正在进行千米海试前的准备。海试窗口期不等人,七〇二所春节期间加班加点完成任务,确保我国能首批进入商业化开采队伍。这一“神兵利器”主要用于开采深海金属矿产资源,保障我国矿产资源的稳定供应。从深海技术科学太湖实验室获悉,这台深海多金属硫化物采矿车长8.2 m、宽3.9 m、高3.5 m,空气中重量21 t,突破了水下布放回收姿态自动定向控制、深水大功率液压驱动、信号传输与智能控制以及三维数字孪生可视化等关键技术,开发了摆动铣削式挖掘头、四履带悬挂车架和具有自主行走功能的集成控制系统,解决了硬矿挖掘、陡坡行走和远程集控的难题。从远处看,多金属硫化物采矿试验车像一辆履带工程车,但是可以通过导航及路径规划,完成自主行走。

深海履带式集矿机多体动力学建模与行走性能仿真分析

深海底极稀软底质是一种完全不同于陆地表面的特殊底质,对海底作业机器的结构设计及其行走性能提出高要求。根据海底底质物理力学特性,配制实验室模拟底质,基于车辆地面力学理论,开展模拟履带板与模拟底质相互作用力学特性试验,分别获得法向压力-沉陷、水平切应力-剪切位移函数关系式。根据深海底履带式集矿机详细结构设计参数,采用动力学建模与仿真程序Recur Dyn/Track构建海底履带式集矿机多体动力学模型。应用实验室模拟试验获得的海底底质力学特性关系式,采用C语言编写用户自定义子程序,基于Recur Dyn/Track进行二次开发,实现深海底特殊底质力学模型在Recur Dyn/Track中的构建。开展海底底质特殊力学载荷下履带式集矿机多种行走工况动力学仿真,分析与评价其行走性能,为实际深海底履带式集矿机的结构设计优化、行走性能评估及行走控制研究奠定基础。。

基于多体动力学模型集成的深海采矿系统联动仿真

采用多体动力学建模仿真程序Recur Dyn/Track构建海底履带式集矿机多体动力学模型,实现了海底底质特殊力学模型在集矿机多体动力学模型中的二次开发与集成。开展小型履带式试验样车行走性能测试,与相应二次开发多体动力学模型仿真结果相比较,进一步验证二次开发建模方法的计算准确性。基于多体离散元法,应用Recur Dyn Process Net平台进行二次开发,采用C#语言编写建立超长采矿管线多体离散元动力学模型的自动参数化建模计算程序。集成海底履带式集矿机多体动力学模型与采矿管线系统多体离散元动力学模型,实现了深海采矿整体系统的多体动力学模型集成构建与联动仿真,获得并分析联动过程各子系统空间运动状态变化、子系统间相互作用力变化等动力学特性,为实际深海采矿系统的整体集成设计、性能预测及作业操控提供了参考。

海洋钻井升沉补偿系统技术分析

升沉补偿系统作为海洋浮式钻井平台的关键设备之一,不仅能提高钻井效率及安全性,而且能够延长钻井设备的使用寿命。升沉补偿系统主要包括钻杆柱补偿和隔水管系统补偿,分析了各种钻杆柱补偿形式和隔水管系统补偿的技术特点,同时探讨了我国升沉补偿系统的发展趋势。最后指出加大力度研发拥有自主知识产权的海洋浮式钻井平台升沉补偿系统,对我国进入海洋更深层次的勘探开发意义重大。

深海钴结壳螺旋采集式采矿头仿真研究

利用虚拟样机技术,采用Pro/E软件三维参数化建模、ADAMS软件可视化仿真,建立了一个钴结壳螺旋采集式采矿头的虚拟样机.结合虚拟样机和相似理论建立了一个具有双螺旋线、可安装36个截齿的采矿头试验台,并通过大量试验验证了所建立虚拟样机的正确性,为采矿头的结构参数和运动学、动力学参数的优化提供了设计平台和验证场所.

垂直管道固液两相流的最小提升水流速度

通过分析粒径／管径比、紊流强度及颗粒群浓度对垂直固液两相流中大颗粒的阻力系数及颗粒沉降末速度的影响，得出在一定条件下颗粒的临界雷诺数提前，阻力系数突降０．１，使颗粒的沉降末速度急增．并在此基础上，给出了可用于工业试验的最小水力提升水流速度．

履带车半主动悬架的复合控制策略研究

针对履带车行驶路况的多样性、复杂性以及自身结构的特殊性提出了一种基于磁流变阻尼器的履带车辆半主动悬架智能复合控制方法。以1/2履带式车辆悬挂系统为研究对象,对车体的垂直振幅、俯仰角以及车体的垂直振动加速度响应特性进行了分析。该控制方法以磁流变阻尼器为作动器,采用预瞄技术,以模糊控制为前馈控制,以PID控制为反馈控制,在MATLAB/Simulink中建立控制系统模型,对复杂随机路面输出进行数值仿真,仿真结果表明该复合控制方法具有实时性好、鲁棒性好、控制精度高等优点。与被动悬架相比,采用该智能复合控制方法的半主动悬架系统,其车身垂直振幅、俯仰角以及车体垂直振动加速度均得到了很好的控制,其中,垂直振幅均方根值减小了37.2%,俯仰角均方根值减小了45.2%,垂直振动加速度均方根值减小了38.6%。

海底履带式采矿车行走牵引通过性能研究

为了实现海底履带式采矿车在特殊稀软底质上行走牵引通过性能的定量评估,开展相关力学特性试验及牵引力计算分析。根据海底底质主要物理力学特性,配制实验室模拟底质。基于车辆地面力学理论,开展模拟履带板与模拟底质相互作用力学特性试验,获得法向压力-沉陷、水平剪切应力-位移函数关系式。建立一种新的海底履带式采矿车牵引通过性能定量计算数学模型,应用模拟试验获得力学特性关系式,计算出采矿车在海底行走获得最大牵引力7.5×104 N时,对应的最佳滑转率为3%,且滑转率应控制在10%以内。计算分析了采矿车接地参数对牵引力的影响特性,结果表明,当履带接地长度与宽度的比值控制为4.7左右时,履带式采矿车可产生最大的牵引力,由此提出了最佳的履带式采矿车接地参数设计值。该研究结果可为海底履带式采矿车的牵引通过性能评估及其结构优化设计提供参考。

5000m扬矿管的纵向振动

运用有限元的方法对深海采矿系统中的扬矿管进行了静力分析和动态分析。采用ＡＮＤＩＡ有限元分析软件，通过研究在海水中不同海浪周期下扬矿管的振动特性可知，扬矿管的一阶纵向共振周期处于海洋中海浪通常出现的周期范围内；共振时扬矿管顶端与末端的纵向振动的相位差接近π／２，产生轴向应力很大。

高海水围压条件下多金属硫化物的破碎机理

为研究高海水围压条件下截齿在切削海底块状多金属硫化物(SMS)过程中的破碎机理,考虑海底块状硫化物高孔隙率、非线性的特点,选择Holmquist-Johnson-Cook(HJC)材料本构模型,基于Lagrangian有限单元法,利用LS-DYNA仿真软件建立截齿切削破碎海底块状多金属硫化物的仿真模型,模拟无海水围压下和高海水围压下海底块状多金属硫化物的切削破碎过程。研究结果表明:在高海水围压作用下,海底块状多金属硫化物的强度明显提高,断裂模式主要是脆性失效向塑性失效转变;海水黏着力和高围压作用使得切屑更难从矿体基岩剥离,截齿受到的阻力明显增大。

深海采矿系统设计(英文)

通过对深海多金属结核采矿系统发展的回顾，提出未来商业开采系统的总体设计思想．并详细介绍了４个子系统的设计，认为目前最具有发展前途的采矿系统应由一艘特殊设计的采矿船、水力提升扬矿管、自行复合式集矿机及集散控制系统组成．指出为减少研究周期和降低风险，既要充分利用已成熟的技术成果，又要加强国际合作．最后介绍了中国深海采矿的研究情况．

1000m深海采矿系统三维整体联动动态分析

1000 m深海多金属结核开采试验系统的主体结构由采矿船、扬矿硬管、扬矿泵、中间仓、软管和集矿机等构成,系统各部分相互运动耦合。运用非线性有限元方法,将扬矿系统各部分等效为不同属性的管单元,建立了1 000 m海洋采矿试验系统整体联动分析的有限元模型,进行了系统整体联动的动力学数值模拟,得到不同联动模式下系统的运动特性与扬矿管的各种动态响应。研究结果表明:系统在设定的联动模式下以0.5 m/s的速度联动时,中间仓的拖曳轨迹与船的运动轨迹基本一致;扬矿硬管上端水平作用力在转弯运动过程中变化较大,而垂直方向上的动态拉伸力呈稳定的交变力;扬矿硬管的弯曲应力较小,轴向应力较大。

深海采矿集矿机的研究与开发

介绍了我国深海采矿集矿机的研制背景和研究开发历程,对我国现有深海采矿集矿机的组成与结构特点、关键技术问题及其解决情况进行了总结。对集矿机在我国深海采矿研究中的应用,及其在深海底栖工程装备方面的移植和拓展前景进行了展望。

海底集矿车对称采集路径覆盖率问题分析研究

对海底集矿车采集路径规划覆盖率问题进行了研究分析,结果表明,在对称转弯半径不变的情况下,随着采集宽度增大,覆盖率、单次覆盖率、有效覆盖率和净覆盖率呈增大趋势,并且当采集宽度与转弯半径相等时达到最优值。

扬矿管在海水中的整体运动分析

在对扬矿管进行受力分析的基础上 ,运用有限元的方法将 5 0 0 0m扬矿管等分成 2 0个两节点梁单元 ,将梁单元受力简化 ,推导出梁单元运动方程。将单元总装成整体结构 ,并将节点力加到具体节点上 ,得出整体结构运动方程 ,用ADINA得到扬矿管整体运动的动态响应解。分析扬矿管的整体运动过程 ,扬矿管的横向、纵向振动及变形与各因素的关系 ,其结果可作为扬矿管设计和操作控制的依据。

履带式集矿机的拉格朗日运动方程

对履带式集矿机在海底运行的情形及其串联的软管进行了简化与假定,据此建立了集矿机系统的数学模型,得出了履带式集矿机在深海底作直线运行时的拉格朗日运动方程,该方程对研究集矿机的运动状态有理论指导意义。

高海水围压下多金属硫化物切削动力学分析

为研究高海水围压条件下截齿切削多金属硫化物(SMS)的动力学特性,根据深海环境构建了镐形单截齿破碎多金属硫化物的切削力数学模型,同时考虑海底多金属硫化物高孔隙、非线性等特点,选取合适的材料本构模型及其相关参数,基于LS-DYNA数值模拟平台,利用有限单元法建立高海水围压条件下截齿切削多金属硫化物的数值仿真模型,模拟了不同海水围压条件下多金属硫化物的切削破碎过程。研究结果表明:截齿上的海水围压对矿体破碎的影响很小,矿体上的海水围压对矿体破碎影响较大;在高海水围压条件下,多金属硫化物的强度明显增大,切屑更难从基岩剥离,截齿受到的三向阻力明显增大,高围压作用限制了截齿切削破碎过程中的振动,截齿载荷波动性显著减小。

基于ADAMS的深海采矿装置升沉补偿系统仿真研究

应用机械系统动力学分析软件ADAMS,建立了深海采矿装置升沉补偿系统的虚拟样机;并根据设计要求对样机进行了仿真检验,结合对仿真结果进行的进一步分析研究。为升沉补偿系统的设计、制造及开采(试验)作业提供了理论依据和主要参数。