横向液动力作用下垂直输送管道应力与位移分析

摘要

随着陆地矿产资源的日益贫乏，人类已经将目光移向了蕴藏丰富的海底矿产资源。从1972年开始发达国家着手进行深海采矿装备与技术研究，技术日趋成熟，而中国海洋采矿技术仍处于实验水平，没有进行海试。扬矿子系统是深海采矿系统中重要组成部分，而扬矿硬管又是扬矿子系统的关键，它直接影响着整个系统的安全、采集效率和控制稳定性。
　　本课题针对在海洋中工作的扬矿硬管与采矿船不同连接方式和不同壁厚下的应力和位移进行了计算和分析。经过理论计算、数值分析与仿真模拟，开展了以下工作：
　　（1）通过对扬矿硬管对受力分析，推导了管道的固液耦合方程，建立了相应的数学模型。
　　（2）基于ADINA仿真软件构建了扬矿硬管第一节管道的流固耦合仿真模型，完成了扬矿硬管在海水中工作时不同连接方式和不同壁厚下的应力分析。从固接和铰接两种连接方式的仿真分析中发现扬矿硬管应力都随着外部流场相对速度增大而增大，应力变化都集中在管道上端连接处。并且固接型式的扬矿硬管随着外部流场速度增大而增大，增长速度要比铰接式快。
　　（3）扬矿硬管与采矿船之间应采用球铰方式，升沉补偿装置应允许一定的侧向和纵向转动。从不同壁厚的仿真分析中发现随着管道壁厚的增加管道的最大应力和最小应力都随之减小，并且随着壁厚的增加应力值减小的量越来越少。
　　（4）利用建立的流过耦合模型完成了对扬矿硬管在海水中工作时不同连接方式和不同壁厚下的位移分析。从固接和铰接两种连接方式的仿真计算中发现扬矿硬管与采矿船的连接方式对扬矿硬管的偏移几乎没有影响，但扬矿硬管与海水的相对速度对扬矿硬管的偏移有很大影响。随着扬矿硬管壁厚的增大，X轴方向和Y轴方向最大和最小位移都随之减小，且通过增大壁厚使得位移减小的量越来越小。

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第一章 绪论

1.1课题来源及意义

1.2 国内外研究现状

1.3主要研究内容与结构

1.4 本章小结

第二章 扬矿硬管力学分析及流固耦合计算

2.1 引言

2.2 扬矿硬管参数分析

2.3 扬矿硬管受力分析

2.4 扬矿硬管流固耦合数学模型

2.5 本章小结

第三章 扬矿系统有限元流固耦合模型建立和应力分析

3.1 非流固耦合计算

3.2 流场有限元建模

3.3 不同连接方式下的应力分析

3.4 不同壁厚情况下的应力分析

3.5 本章小结

第四章 扬矿硬管位移分析

4.1 不同连接方式下的位移分析

4.2 不同壁厚情况下的位移分析

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

附录A：攻读硕士学位期间发表的的论文

附录B：固接时外部流场其他速度下的等效应力云图

附录C：铰接时外部流场其他速度下的等效应力云图

附录D：不同壁厚情况下的应力云图

附录E：固接时外部流场其他速度下的位移图

附录F：铰接时外部流场其他速度下的位移图

附录G：不同壁厚情况下的位移图