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深海采矿扬矿管道工作特性的流固耦合分析与综合评价研究

王志  
【摘要】: 本文以我国深海采矿1000m海试系统为研究对象,采用理论分析、数值计算与试验研究相结合的方法,综合考虑管道系统承受的各种复杂载荷(如重力、浮力、海流、海浪、内部流作用等)以及集矿机、采矿船运动的影响,开展扬矿管道工作特性(包括运动、力学性能及输送等)的流固耦合分析与综合评价研究,探讨集矿机与采矿船行走工况、浮力块布置方式、流体输送参数、材料性能等优选方案,为深海采矿管道系统的设计与研发提供重要依据。 本文取得的主要研究成果如下: (1)基于深海采矿扬矿硬管受力简化模型,采用Matlab语言自行编制了二维无网格局部Petrov-Galerkin法程序,计算并分析了硬管在海流阻力作用下的偏移特性。结果表明:硬管最大偏移量发生在靠近中间仓一端,最大拉应力发生在靠近采矿船一端;硬管最大偏移量随逆流拖航速度的增加而增加,随顺流拖航速度的增加而先减后增。 (2)采用三维非线性有限元法,通过MSC.MARC/MENTAT软件建立了布放过程中扬矿软管初始空间构形的静态分析模型,计算并分析了软管初始空间构形特性及其多种因素(如浮力块布置方案、海水阻力、支座形式、软管弹性模量等)的影响规律。结果表明:浮力块布置方案直接影响着软管拱顶高度和软管能否全部漂浮于海水中。海水阻力和软管弹性模量对软管初始空间构形影响较小。为确保软管安全及输送效率,建议浮力布置范围限定在L/2-3L/4(均布)、L/3-2L/3(单个浮力块集中作用)或L/4-3L/4(两个浮力块集中作用);浮力块浮力的取值范围为0.9G≤F≤1.5G(G为软管净浮重);建议选用对称支座形式(两端固支或铰支)。 (3)基于流固耦合理论,通过MSC.MARC/MENTAT软件建立了软管与内部流三维流固耦合有限元模型,计算并分析了复杂深海环境下扬矿软管运动与力学特性、输送及其多种因素(如内部流提升速度、屈服应力与粘性系数、软管弹性模量、集矿机行走工况等)的影响规律。为保证深海开采的连续稳定和开采效率,建议内部流提升速度控制在合适的范围内(如2.5-4m/s);采取适当延长集矿机内矿物破碎和脱泥时间、降低矿物粒径及内部流浓度、减少泥沙含量等措施;内部流浓度控制在合适范围内(如10%-25%);尽可能采用弹性模量适中的软管材料;当集矿机圆形行走和方形行走时,选取集矿机转弯或位移变号时的软管应力作为软管接头强度设计参数;集矿机行走速度应控制在0.2-0.4m/s。 (4)针对传统主成分分析法存在的不能反映待评价方案与最优方案相似程度的问题,提出了一种基于指标优化原则进行数据矩阵标准化的改进主成分分析法,应用于深海采矿软管工作特性的综合评价,并与模糊层次法评价结果进行对比。结果表明:两种方法评价结果基本一致,即具有S形和马鞍形空间构形的软管工作特性评价值较高,可作为软管设计的优选方案。改进的主成分分析方法不依赖于主观因素,能够获得真实可靠的评价结果,特别适用于深海采矿系统多指标工作特性优劣的综合评价。 (5)基于相似理论,自行设计了软管空间构形与输送的试验装置,开展了在不同浮力块布置方案下的软管空间构形、在不同的软管初始空间构形下的软管输送的试验研究,获得了软管空间构形的优选方案(如S形、马鞍形等),实测结果与有限元计算结果、综合评价结果吻合较好。 (6)综合考虑内部内部流、外部海流与海浪以及集矿机、采矿船运动状态,通过MSC.MARC/MENTAT软件建立了深海采矿扬矿管道整体联动的三维流固耦合有限元模型,计算并分析了管道系统的运动、力学特性及其多种因素(如拖航速度、海浪周期、中间仓结核质量等)的影响规律。为提高采矿系统的安全可靠性和开采效率,建议拖航速度和结核质量控制在合适的范围内(分别为0.3-0.5m/s、2000-4000kg),且尽量避免在海浪振动周期太小时逆流拖航作业。


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