深海钴结壳采集头截齿破碎性能及截齿布置优化研究

摘要

随着我国经济社会的迅速发展，对资源的需求日益巨大，而陆地矿产资源逐渐消耗，人类对海洋的探索日益深入，大洋钴结壳资源由于其经济价值成为令人瞩目的战略性资源。深海钴结壳开采技术与装备已成为目前研究的一个重点。钴结壳开采的首要环节是从海底基岩上将钴结壳资源破碎剥离。
　　 采集头截齿作为破碎的关键部件，其作用主要是实现钴结壳的破碎剥离。合理的截齿布置是保证整体系统高效稳定工作的前提，也是延长截齿使用寿命的关键。在查阅国内外相关文献的基础上，本文对采集头截齿作用下钴结壳破碎特性，截齿结构参数及布置形式和最优采集头结构设计进行了相关研究。论文主要研究工作如下:
　　 1)经过对截齿形状、切削方式和切削参数适当简化，建立了单个截齿切削含倾斜节理和水平节理钴结壳、双截齿顺次切削和同时切削水平节理钴结壳的二维数值模型，仿真分析得到不同节理参数、截齿间距和切削顺序下裂纹演化过程，并根据裂纹扩展和形成破碎块的规则，归类得到六种不同的破碎模式;然后从破碎效率，裂纹扩展能力，破碎块度等方面，进一步研究了截齿作用下钴结壳的破碎特性。
　　 2)在采集头截齿切削有限元模型环境中，建立了截齿切削钴结壳的模型，对不同截齿结构参数和不同布置形式的切削过程进行了动态模拟，通过比较不同参数下的采集头扭矩载荷波动和截齿切削能耗等性能评价指标，得到了各种参数对采集头截齿切削破碎性能的影响规律，并结合实验验证，为截齿结构设计和采集头上截齿布置提供了理论指导。
　　 3)利用遗传优化设计理论，以采集头截齿能耗和载荷波动为优化目标，在满足特定约束条件的前提下，对采集头截齿布置相关的结构参数进行了优化，得到了综合性能理想的设计参数，为钴结壳采集头设计提供了依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及来源

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题来源

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外钴结壳开采技术进展

1．2．2 脆性材料截割开采机理简述

1．2．3 螺旋采集头相关技术研究现状

1．2．4 截齿布置相关研究进展

1．3 研究的目的和意义

1．4 本文的主要内容

第二章 采集头截齿作用下钴结壳破碎特性

2．1 钴结壳性能测试分析

2．1．1 钴结壳与基岩特征

2．1．2 钴结壳与基岩物理性能测定

2．2 离散元建模过程

2．2．1 相关因素分析及简化

2．2．2 材料模型及参数的确定

2．2．3 离散单元模型建立

2．2．4 数值求解运算

2．3 钴结壳及基岩破碎特性分析

2．3．1 钴结壳裂纹扩展分析

2．3．2 钴结壳破碎模式分析

2．3．3 钴结壳破碎效率分析

2．3．4 钴结壳裂纹扩展能力分析

2．3．5 钴结壳破碎块度分析

2．4 本章小结

第三章 采集头及截齿参数对破碎性能的影响规律

3．1 采集头截齿切削的有限元模拟系统

3．1．1 截齿切削模拟系统介绍

3．1．2 截齿切削过程计算原理

3．1．3 截齿切削的有限元模拟

3．2 截齿结构参数及布置参数

3．2．1 截齿结构参数介绍

3．2．2 截齿布置参数介绍

3．3 截齿结构参数对采集头切削性能的影响

3．3．1 齿尖夹角对采集头切削性能的影响

3．3．2 齿身锥角对采集头切削性能的影响

3．3．3 齿尖直径对采集头切削性能的影响

3．4 截齿布置相关参数对采集头切削性能的影响

3．4．1 安装角度对采集头切削性能的影响

3．4．2 截齿排列对采集头切削性能的影响

3．4．3 截齿间距对采集头切削性能的影响

3．5 本章小结

第四章 采集头截齿布置优化设计研究

4．1 采集头截齿布置优化模型

4．1．1 截齿布置问题的描述

4．1．2 设计变量

4．1．3 优化模型的目标函数

4．1．4 约束条件

4．2 优化模型求解

4．2．1 算法介绍

4．2．2 遗传算法流程

4．3 优化结果与分析

4．3．1 优化计算

4．3．2 结果分析

4．4 本章小结

第五章 实验研究

5．1 实验条件

5．1．1 实验台介绍

5．1．2 实验测试系统

5．1．3 试样的制备

5．2 截齿切削过程模拟实验

5．2．1 实验目的及内容

5．2．2 实验方案

5．2．3 截齿切削实验结果及分析

5．3 采集头截齿切削性能实验

5．3．1 实验目的及内容

5．3．2 实验方案

5．3．3 采集头截齿破碎实验结果及分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间的主要研究成果