深海采矿高扬程粗颗粒多级输送电泵研究

针对扬矿电泵高扬程、粗颗粒过流及轴向流等问题,以深海采矿多级输送电泵整体设计为研究对象,通过对比国内外优秀的深海采矿泵模型,提出高扬程粗颗粒多级输送电泵的设计方法,并进行四级扬矿电泵设计。分析并计算多级输送电泵所受的外载荷、轴向力和螺栓承受的拉力,利用有限元分析软件对泵体的强度和刚度进行计算,最后对两级扬矿电泵的工作特性进行实验研究。研究结果表明:当设计流量为432 m3/h时,两级电泵的扬程为82 m;当结核浆体体积分数为0~10%时,泵的功率-流量曲线变化平缓,泵的颗粒过流能力强,泵的各部件均满足强度和刚度的要求,验证了多级输送电泵设计方法的有效性。     

多段铰接式扬矿硬管系统建模与动力学分析

为了减弱深海采矿系统中扬矿管道螺纹连接处的应力集中与弯曲应力,并减小振动在管壁内的传递,采用球铰接头对扬矿硬管进行连接,替代原有的螺纹连接。基于柔性多体系统动力学理论,建立多段铰接式扬矿硬管系统的运动学模型,分别对四、六级海况下扬矿系统的横向运动进行数值模拟。根据流体力学相似理论,建立1：100扬矿系统实验系统并通过实验验证数学模型。研究结果表明：六级海况下铰接式扬矿系统水下第1根管所受最大弯矩为322kN·m,刚性连接系统的最大弯矩为1．890MN·m：铰接式扬矿系统中,第1根管的弯曲变形量最大,为4．79mm：应用柔性多体系统动力学理论来分析铰接式扬矿系统是可行的;减小系统弯矩,铰接式扬矿系统明显优于固接式扬矿系统;弯曲变形对系统运动影响很小。     

深海采矿扬矿管的纵向振动分析

为研究深海采矿系统扬矿管的纵向振动规律,通过振动理论建立了扬矿管的纵向振动的偏微分方程,并对该方程进行求解,得到了扬矿管的固有频率、振型函数以及振动响应函数的理论解。随后用MATLAB进行仿真,从扬矿管上选取3个不同位置,分别绘制了有阻尼系统响应和无阻尼系统响应时绝对位移与相对位移随时间的变化曲线。在此基础上,对扬矿管的轴向应力进行研究。结果表明:两种情况下,扬矿管振幅随着水深的增加而增加,在3 000 m以后的振动幅值变化很小,有阻尼系统响应的变化规律类似于简谐运动;且在扬矿管顶端,有阻尼系统响应时所受的轴向应力要比无阻尼时的轴向应力减少25.5%,在大部分时刻,轴向应力随着深度的增加而减少。     

基于有限元和虚拟样机技术的螺纹与球铰连接扬矿管整体水平运动

为了研究螺纹与球铰连接两种情况下的扬矿管系统的整体水平运动,建立了螺纹连接和球铰连接扬矿管系统的几何模型,分析了系统的受力和约束情况,并分别用有限元和虚拟样机技术进行了4级海况时瞬时动态分析和动力学分析. 结果表明:螺纹连接扬矿管系统的最大横向偏移量较小,但是管体承受很大的弯矩;在球铰连接的系统中偏移量为6m左右,管体不受弯矩,相当于柔性管,接头应选用耐磨性较好的材料.     

深海采矿扬矿硬管弹性体建模分析

深海采矿系统中,扬矿管受采矿船的航行速度及海浪、海流等因素的影响会发生横向偏移的问题.对带有集中质量的阶梯式扬矿管的横向偏移进行了建模,并用伽辽金(Galerkin)方法进行求解,通过计算机的模拟计算,分析了扬矿管在不同情况下横向偏移的特性.     

深海采矿系统整体联动作业模式动力学分析

以我国深海采矿海试系统设计方案为工程背景,构建基于海底履带式集矿机单刚体模型、扬矿管线多体离散元模型与水面采矿船运动学模型组合的深海采矿整体系统三维动力学模型.提出一种新的由纵向直线联动、转向联动与横向直线联动相结合的整体联动作业模式,实现该新型作业模式的动力学仿真分析,获得联动过程中各主要子系统运动轨迹、子系统间相互作用力、扬矿硬管偏角等关键动力学特性结果.仿真结果表明:在该新型联动作业模式下各子系统均能保持在允许范围内稳定运动,证明了提出的整体联动作业模式的合理性与可行性.     

内压作用下CFRP/钢复合管受力性能试验研究

为研究内压作用下碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastic, CFRP)/钢复合管的受力性能,进行了8根CFRP/钢复合管及1根普通钢管的内压荷载试验.试验中考虑的变量有碳纤维布层数、碳纤维布轴向及环向搭接长度.试验结果表明:外贴单层碳纤维布时,CFRP与钢管的协同变形效应随碳纤维布轴向及环向搭接长度的增加而增强,当轴向及环向搭接长度分别达到50mm及200mm时CFRP与钢管变形趋于一致;内压作用下CFRP/钢复合管的荷载-应变曲线呈近似双线性的变化规律,其刚度、屈服强度及极限强度均随碳纤维布层数的增加而增大,试件典型破坏形态为CFRP环向受拉断裂.最后,基于试件典型破坏特征,提出了适用于CFRP/钢复合管的强度计算模型.     

考虑流固耦合的深海采矿长输流硬管力学行为

利用Workbench软件建立深海采矿长输流硬管的流固耦合有限元模型,研究管长、顶端张力等因素对其固有频率的作用效果;分别在内流和外流作用下对硬管进行流固耦合动力学仿真,研究内流流速、内流密度、外流流速等对其力学特性的作用。研究结果表明:扬矿硬管的固有频率随着硬管长度的增加而降低,随着硬管所受的顶端张力的增加而增加;在内流作用下,扬矿硬管的最大侧向位移和最大主应力随着内流速度增大而增大,随着内流密度的增大而增大;在外部海流作用下,扬矿硬管的最大侧向位移和最大主应力随着外部海流速度增大而增大;为确保扬矿子系统高效平稳地工作,建议内流流速在合适的区间(如2.5~3.5 m/s)内变动,且整体深海采矿系统应在外部海流速度小于0.8 m/s条件下作业。     

横向摆动对深海采矿扬矿管输送特性的影响

为研究横向摆动对深海采矿扬矿管输送特性的影响,探究提高输送系统工作稳定性的方法,采用以颗粒动力学为基础的双欧拉模型和Fluent软件对横向摆动工况下的扬矿管内固液两相流进行模拟仿真,研究摆幅对管道压力损失梯度、出口处颗粒平均体积分数、颗粒体积分数沿径向分布以及颗粒轴向速度分布的影响。研究结果表明:管道摆动使压力损失梯度和出口颗粒平均体积分数呈周期性变化,摆幅越大,二者幅值变化越剧烈;随摆幅的增加,颗粒体积分数沿径向分布不均匀程度越严重,离管壁越近,颗粒聚集程度越高,最高体积分数达到30%;除管壁附近外,摆动工况下颗粒轴向速度沿管径基本呈线性分布,摆幅越大,轴向速度径向分布梯度越大,径向不对称性越严重。     

多用途治黄水工船作业稳性研究

本文将多用途水工船的作业稳性问题化为同时承受分布荷重、轴向力、水平力及弯矩的固定桩的承载力问题.在此基础上给出轴向容许承载力计算公式,用解析法分析地上部分的固定桩,求出地面处的内力与位移,并以此为初始条件采用迁移矩阵法对土中部分桩进行分析,从而得到整个固定桩的位移与内力.最后给出了水工船作业稳性标准.     

海浪和海流作用下的深海采矿输送系统参数分析

根据深海采矿输送管道在采矿船牵引下运动,同时受到管道和管内流体重力、浮力和海水阻力作用的情况,采用有限元对输送软管进行了计算分析.从计算结果的比较分析可知:在输送管道下端安装浮体,得到了一种十分理想的采矿系统;海流和海浪对管道上端的结点反力有较大的影响,对管道下端的结点反力和管道的形状影响较小;采矿船运动对管道产生很大的阻力,对管道两端的结点反力和管道形状影响都很大.图8,表1,参9.     

深海采矿长管线系统布放过程的数值仿真

运用非线性有限元方法,将深海多金属结核开采系统的扬矿硬管、扬矿泵、中间仓和扬矿软管等部分等效为不同属性的管单元,建立了1000 m水深海洋试验系统扬矿子系统的有限元分析模型;采用Morison公式计算了水下管线的液动力载荷.基于该模型,进行了长管线系统布放过程的动力学数值模拟,得出了在不同布放操作模式下扬矿子系统的各种动态响应,尤其是软管初始构形的动态形成过程;仿真显示了在某些布放操作模式下,软管缠绕现象发生的全过程.研究结果表明:集矿机着底后,在下放硬管的同时,应通过集矿机的运动使软管尽早地形成马鞍形,以有效地消除缠绕现象.     

深海采矿输送系统的运动和载荷分析

根据深海采矿软管输送系统大变形的特点,针对输送软管两端在采矿船和采矿车的牵引下运动,同时受到浮力、重力、海浪、海流、海水阻力和管内流体等复杂载荷耦合作用的情况,运用海浪和海流理论、流体力学和Morsion阻力方程,对输送系统的运动和外部载荷进行了分析,得出了海水对管道运动阻力计算公式和管内流体运动对管道作用力计算公式,并对上述公式进行了合理简化,为深海采矿输送系统的静态分析提供了理论依据.图3,参12.     

深海采矿扬矿硬管内流作用下的涡激振动分析

为研究内流作用对深海采矿扬矿硬管涡激振动的影响,以Matteoluca改进的涡激振动结构和尾流振子耦合系统模型为基础,采用加速度耦合方式,用模态主振型函数对硬管微分方程进行了离散,对建立的内部流场作用下的深海采矿扬矿硬管涡激振动微分方程,计算分析了输送速度对硬管涡激振动固有频率和响应幅值的影响.结果表明,当输送速度使硬管固有频率在漩涡脱落频率附近变化时,结构和尾流振子耦合系统的振幅将会增加,系统的工作稳定性降低.为了保证管道输送的连续性,要避免采用使管线产生“锁振”现象的输送速度.     

深海采矿储料罐输送设备固液两相流数值计算与分析

针对深海采矿所使用的水泵与储料罐组合的矿石输送设备在矿石输送过程中矿石输送浓度难以控制,不利于矿石稳定和持续输送等问题,基于Fluent软件中的Euler-Euler模型,采用SIMPLE算法和标准k-ε湍流模型对储料罐输送设备内固液两相流进行数值计算和分析.计算结果表明:储料罐内的矿石在inlet1的水射流冲击和自身重力作用下能顺利进入输送管道,在inlet2水射流的卷吸和不断紊动稀释作用下,在出口处能得到稳定持续的矿浆流.同时,仿真结果表明:矿石体积分数随粒径增大而变小,当矿石粒径在5～10 mm范围内时矿石输送的体积分数保持在10％左右;随着储料罐内矿石堆积高度增加,矿石输送体积分数有所增大,但增大的幅度很小;随着inletl速度增大,矿石输送体积分数也相应升高,两者之间呈良好的线性关系,因此通过阀门控制inletl的水流速度就可以实现对矿石输送体积分数的控制;最后通过实验验证该输送设备的可行性,并进一步验证通过控制inletl入口速度控制矿石输送体积分数.     

深海采矿升沉补偿系统的自调整模糊控制仿真

针对深海采矿升沉补偿系统的作业过程受海洋环境和自身工作原理的影响，具有复杂性、随机性等特点，采用自调整模糊控制方法，通过可调整因子α和β自寻优，改变量化因子Ke，Kec和比例因子Ka对控制性能的影响，使升沉补偿系统具有最优的动态性能，从而实现升沉平台和扬矿管系统纵向大幅振动的最佳控制。综合运用控制软件MATLAB和虚拟样机软件ADAMS，建立升沉补偿系统的振动控制仿真模型，进行不同海况下的仿真分析。研究结果表明，应用自调整模糊控制器的升沉补偿系统能更好地抑制振动，降低振动的强度，降低幅度达75％～85％，在调整时间、控制效果及适应性等方面的性能均优于常规模糊控制器的性能，完全符合升沉补偿系统的设计要求。     

我国深海采矿主体资格制度相关法律问题研究

深海是人类未来的资源宝库,蕴含着丰富的资源,主要包括多金属结核、富钴结壳、天然气水合物、油气等。我国人口众多,矿产资源的人均占有量远低于世界平均水平,资源瓶颈将在未来几十年成为制约我国经济发展的最大瓶颈,所以发展深海采矿产业对我国有着格外重大的意义。但是深海采矿行业技术要求高,资金投入大,风险性也较高,因此为了保障该行业的良性发展,保障国家的能源安全,对深海采矿行业建立起一套完善有效的主体资格管理制度是非常有必要的。通过对确立合理的深海采矿主体资格制度必要性的论述,及对我国深海采矿行业市场准入制度现状及所存在问题的分析,在借鉴外国先进立法经验和制度的基础上,可以对我国深海采矿主体资格制度的建构提出一些设想和建议。     

基于海底开采的高倍线强阻力充填技术

 三山岛金矿新立矿区西南部矿体属海底开采,海底充填倍线达13,水平输送距离超过2000 m,属于高倍线强阻力输送充填料浆。为了解决充填料浆输送距离长、倍线高、输送阻力大等技术难题,进行了分级尾砂物化性能测试,充填骨料配比试验,管道输送阻力模拟等研究。研究结果表明,分级尾砂颗粒较粗,脱水性好,但是在输送过程中易沉降;添加细颗粒,能改善分级尾砂的流动性;推荐料浆配比为1：6~1：8,料浆输送质量分数为72%。通过充填料浆环管阻力输送试验和理论计算,得出料浆最大输送阻力为9MPa,除去自重水力压头,需加泵压6 MPa。工业应用结果表明,分级尾砂高倍线充填是可行的,为海底矿床安全开采提供了保障,实现了高倍线充填海底矿床。     

软管空间形态的风洞试验和仿真计算

软管在深海采矿系统中是连接中继舱和集矿机的输送枢钮.在海洋工程领域,计算软管流体阻力采用莫里逊公式,其中阻力系数是双参数迎角和雷诺数的函数.用相似性原理进行风洞试验,测量了法向和切向阻力系数随迎角和雷诺数的变化关系.根据二元拉格朗日抛物线插值方法,计算得到软管移动过程中任意空间姿态时的阻力系数及相应的流体阻力.同时通过支座位移非线性迭代法结合空间梁结构非线性有限元分析理论加Newton-Raphson荷载增量法计算了软管空间形态随集矿机移动的变化过程.