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.     

深海采矿扬矿管几何非线性静力分析

针对深海采矿输送系统中阶梯扬矿管承受轴向力过高容易断裂和连接部位容易出现应力集中的问题,提出一种低密度和高强度的碳纤维复合管应用于深海采矿输送系统.根据扬矿管在采矿船静止和等速拖航运动时,受到管道和管内流体重力、浮力和海水阻力作用的情况,采用有限元对碳纤维复合管和阶梯钢管进行计算分析.研究结果表明:当采矿船静止时,碳纤维复合管的弯矩和弯曲应力与阶梯钢管的差别很小,但碳纤维复合管的轴向力不到阶梯钢管的1/4,相比阶梯钢管,碳纤维复合管能承受更大的轴向载荷;当采矿船以0.5 m/s等速拖航时,2种扬矿管的轴向力、弯矩相比采矿船静止时变化不大,但碳纤维复合管的弯曲应力比阶梯钢管小一半,可克服阶梯管刚性连接时弯曲应力过大的缺点.     

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.     

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。     

深海采矿船电站及功率管理系统方案研究

该文通过分析深海采矿船的作业特点,设计出基于环形供电网络结构、满足多工况作业要求的电站,并结合智能化功率管理系统,对配电系统的安全性、可靠性进行研究。     

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.     

深海采矿船电站选型设计浅析

以一艘作业水深3000m、矿物存储量约60000t的多金属硫化物采矿船为目标船型,结合该船的作业特点和要求,通过对该船在不同作业模式工况下的电力负荷进行分析,确定出满足该船使用需求的电站配臵及选型。     

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。     

模拟深海采矿混响环境实验装置研究

针对真实深海采矿环境下实时微地形超声探测声信号获取难的问题,设计并建立了一套能模拟真实深海采矿混响环境的超声探测实验系统.在对螺旋采掘头结构简化的基础上,利用Fluent模拟了螺旋采掘头与多组叶轮模型对水下流场的影响,对二者所得的水下流场进行比较后,确定所选叶轮模型能较好地反映真实采矿环境.随后针对叶轮模型,实验测量了泥沙垂向浓度分布,验证了设计模型的正确性.最后进行超声探测实验,结果表明,悬浮泥沙不仅对声波产生黏滞和吸收,而且会产生严重的混响干扰,通过该超声探测系统的时间增益补偿,可有效抑制混响干扰,增加目标检测概率.本项研究为深海采矿混响环境下的超声微地形探测提供了研究基础.     

单泵与储料罐组合的深海采矿输送设备

根据软管采矿系统对输送设备的要求,研究出由储料罐与高压水泵组合而成的新的输送设备,其原理为:首先采用高压水泵对海水加压,然后采用储料罐将矿石加入到高压水中,通过高压水将矿石从海底输送到海面.根据两相流理论和Bernoulli方程,建立了储料罐与高压水泵组合输送的水力输送设备的设计理论体系.对输送系统的参数进行计算分析可知,对于矿石体积分数为7%～12%的流体,1 000 m深海采矿中试输送系统的水泵扬程为100～150 m,3 000 m深海采矿输送系统的水泵扬程为400～450 m.由储料罐与高压水泵组合而成的矿石输送系统简单,避免了矿石颗粒与水泵直接磨损,适用于深海采矿软管输送系统.     

深海采矿机行星轮式行走机构越障行为

为了适应深海富钴结壳和热液硫化调查区复杂地形多变底质,提出了深海采矿行星轮式行走机构.利用虚功原理建立了行星轮式行走机构越障动力学模型,分析了越障高度的影响因素,按1∶2.25传动比确定行星轮系结构尺寸,利用ADAMS进行双边越障性能分析(垂直障碍高度900mm).行星轮系的结构尺寸、车体质心位置及附着系数对越障高度影响较大;各轮系越障时出现驱动力矩、速度和正压力急增的现象,前轮系的前轮越上障碍后,各参数值趋于平稳,后轮越障时又出现瞬时脉动,但脉动较小,后轮系也有相同的变化趋势,各轮的阻力矩和输出功率与正压力变化趋势相同.行星轮式行走机构可根据地变化在定轴轮系和行星轮系间演变,具有较好的自主越障性能.     

深海采矿钢结构塔架及底座平台的稳定性分析

深海采矿布放回收作业的负载大、重复性高、作业速度快、易受波浪和风力影响,可能造成钢结构塔架和底座平台的失稳.根据其工作特点,选取钢结构塔架和底座平台的三个典型截面,参照GB50017-2003《钢结构设计规范》,分别进行整体稳定性理论折算计算、特征值(线性)屈曲和非线性屈曲有限元分析.结果 表明,钢结构塔架和底座平台的整体结构稳定性较好,不会发生整体失稳.计算分析得到的临界屈曲载荷值/屈曲极限载荷值可为深海采矿的钢结构塔架和底座平台的结构设计和载荷选取提供技术借鉴和工程经验.     

基于模糊逻辑系统的采矿船升沉补偿控制方法研究

采矿船是海洋资源开采中必不可少的海工装备。采矿船在海上作业时,船体受海浪载荷作用所引起的升沉运动对于水面下采矿系统作业安全性有恶劣的影响,为了减少升沉运动,需要对采矿船进行升沉补偿,提出了一种基于复合液压油缸的主被动一体式复合型升沉补偿系统。为了提高控制精度,本文提出了一种基于Mamdani型的模糊PID主动式补偿控制策略来减小升沉干扰下的补偿误差,首先对升沉补偿原理进行介绍,随后基于莫尔经验公式推导出不同海况下船体升沉幅值的计算过程,并建立所提升沉补偿系统的数学模型和传递函数,最后用所提的模糊控制算法进行控制,在规则海浪波和不规则海浪波下分别进行仿真,并和传统PID控制效果进行比较,结果表明,两种海浪波下,模糊控制算法的误差要小于传统PID控制算法的误差,可见模糊控制算法有着明显的优势。     

基于多刚体离散元模型的深海采矿系统动力学分析

深海采矿系统的扬矿管线长达数千米，呈现出大位移、小变形的几何非线性特性。采用多刚体离散元方法对长管线系统进行计算分析。首先，从静态分析和动态分析两方面，给出2个典型算例，证明该方法的有效性；然后，将离散元方法用于中国1km深海采矿系统的动力学分析，讨论不同海流方向下整体系统的联动性能，并与有限元方法进行对比。计算结果表明，对于形状简单的长管线系统，在同等精度下多刚体离散元方法计算速度较有限元法的计算速度提高了近8倍。     

深海采矿矿浆泵的设计方法研究

针对深海采矿矿浆泵尚无成熟的设计方法,基于垂直管道水力输送理论,文章提出了矿浆泵设计参数的理论公式,并对不同工作水深及矿石体积分数下的输送系统进行了分析;采用数值模拟方法分析了几何参数对泵性能的影响。分析结果表明:将体积分数为5%~10%的多金属结核从1 000m和6 000m海底提升至海面所需泵的扬程分别为78.04~130.05m和440.63~735.17m,考虑装备制造的技术能力,矿石体积分数宜控制在8%以下;叶轮叶片数推荐值为4~5,以满足扬程和效率的要求;适当增大叶片进口角可改善泵的抗气蚀性能。最后,通过试验验证了数值分析方法的准确性。     

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.     

深海履带车的路径跟踪控制算法

建立深海履带车运动学和路径偏差模型,并针对履带车在工作环境中出现的路径偏差问题提出一种新的路径跟踪算法。基于履带车的行走动力约束,路径跟踪算法中引入线速度和角速度中间变量,避免了由于履带车驱动轮角速度突然变化所导致的系统失稳。同时,为提高系统的响应时间,算法中增加与PID控制类似的比例环节,利用李雅普诺夫法证明控制系统的稳定性,并对深海采矿2种典型期望工作路径的路径跟踪进行仿真。研究结果表明:所提出的新的路径跟踪算法具有良好的快速性和稳定性,能够满足深海采矿履带车的行走控制要求,保证履带车良好的行走性能。     

国内外深海生物捕获现状综述

随着人类对海洋的开发利用,深海资源成为了各国研究者极力探索的一块宝地。文章系统介绍了当今国内外针对深海生物的捕获技术,以及捕获技术的现状和收获,提出一些深海生物捕获待解决的难点,并对未来的发展进行了展望。     

深海潜水器研究现状与展望

深海潜水器研究对海洋科学与工程技术进步、海洋资源探测与开发、国家海防安全与海洋战略实施有着十分重要的意义。本文在简要概述深海潜水器基本类型的基础上,综述了深海潜水器的发展历史与国内外研究现状,论述了深海潜水器研究的关键技术,最后对深海潜水器的发展趋势及应用前景进行了探讨。