深海采矿系统柔性管线空间构形与动力学分析软件设计

摘要

经过多年实践和论证，我国进行深海采矿的现行技术方案是采用水力式集矿方法，该深海采矿系统主要由采矿船（水面平台）、动力扬矿系统和动力集矿系统（履带式集矿机）三部分组成。其中动力扬矿系统又包括硬管、中间仓和软管，而软管上承中间仓下接集矿机，准确描述软管（柔性管线）对深海采矿系统的精确控制和安全性起至关重要的作用。
　　本文（1）用几何非线性空间梁描述深海采矿柔性管线的动力学特征，采用修正的拉格朗日法（U.L列式）、Newmark时间积分和Newton-Raphson迭代法等建立柔性管线动力学行为的有限元计算框架；（2）基于面向对象的编程思想，用C++语言结合深海采矿柔性管线特征设计了一系列类，包括：矩阵类（Matrix），构形类（C Config），单元刚度类（CElement），结构刚度类（CStiff），浮重类（CWtbuoy），行走类（CDsmove）；并编制了深海采矿系统柔性管线空间构形与动力学分析软件；基于面向对象的编程思想开发的柔性管线动力学计算软件，提升了代码的可重用性、可扩展性和可读性，为后续更新维护提供了方便。（3）为更好观察柔性管线在三维空间的构形变化，在 MFC单文档程序框架的基础上建立了 OpenGL图形库运行环境，并使用OpenGL代替MFC自带GDI进行绘制，简化了在MFC上的图形输出。（4）最后，利用该软件模拟了软管在重力和浮力共同作用下集矿机进行直线行走、圆形路径行走等特殊工况的动力学行为，最终结果符合预期。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.3本文主要内容

第2章 柔性管线几何非线性计算

2.1几何非线性问题基本理论

2.2空间梁单元切线刚度矩阵

2.3坐标转换

2.4几何非线性方程求解

2.5本章小结

第3章 柔性管线动力学方程计算

3.1单元线性运动方程

3.2整体动力平衡方程

3.3非线性运动方程

3.4动力平衡方程的求解方法

3.5本章小结

第4章 基于面向对象的柔性管线动力学有限元程序设计

4.1开发环境及工具

4.2 MFC单文档应用程序框架

4.3深海采矿系统柔性管线空间构形与动力学分析软件架构

4.4本章小结

第5章 柔性管线动力学行为的数值模拟

5.1软件界面

5.2输入基本数据

5.3输入软管及内外流参数

5.4输入浮力

5.5设置集矿机行走方式

5.6设置求解器参数

5.7集矿机行走计算

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间参与项目

附录B 结构体及类声明

1、结构体 CP3

2、矩阵类 Matrix

3、数据集合类Cdata

4、构形类 CConfig

5、单元类 CElement

6、刚度类 CStiff

7、浮重类 CWtbuoy

8、集矿机行走类 CDsmove