深海采矿扬矿硬管流固耦合力学行为及快速分析方法研究

摘要

在深海采矿系统中，对所开采矿产资源的输送是一个重要的环节。输送的过程中管道内部有矿浆作用，外部有波浪和海流作用，如何保证开采过程的连续性和平稳性，这是相关研究的关键问题。
　　 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、数值计算与实验验证相结合的方法，综合考虑内外流场与管道系统的流固耦合作用，开展扬矿硬管力学行为研究，探索建立流固耦合力学行为快速分析方法，为深海采矿管道系统的设计与研发提供重要依据。本文的主要研究内容及结论如下:
　　 1.建立了研究深海采矿扬矿硬管流固耦合力学行为的力学方程，用模态主振型函数对其进行了离散，并运用结构-尾流振子流固耦合模型求解了离散后的方程，研究了内流流速、管道内径、管道外径、顶端张力和管长对硬管的前四阶固有频率的影响，分析了内流流速、管道内径、管道外径、管长、顶端张力、外流流速对扬矿硬管涡激振动响应以及尾流振动响应的影响。
　　 2.对内流、外流与管道的流固耦合作用进行了等效简化，建立了深海采矿扬矿硬管流固耦合力学行为的快速分析方法以便经济快速地对深海采矿扬矿硬管流固耦合问题进行简化和保守处理。
　　 3.运用ANSYS软件并结合流固耦合力学行为快速分析方法，对流固耦合作用下的深海采矿扬矿硬管进行了分析，并与结构-尾流振子流固耦合理论分析结果进行了对比。
　　 4.应用断裂力学的基本原理，对流固耦合作用下的深海采矿扬矿硬管进行了损伤容限设计。
　　 5.最后通过实验验证了本研究的正确性和有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 深海采矿扬矿硬管流固耦合作用

1．2．1 外流与管道流固耦合作用

1．2．2 内流与管道流固耦合作用

1．3 国内外输送管道力学行为的研究现状与水平

1．3．1 国外输送管道力学行为的研究现状与水平

1．3．2 国内输送管道力学行为的研究现状与水平

1．4 课题来源及课题研究的目的和意义

1．4．1 课题来源

1．4．2 课题研究的目的和意义

1．5 课题研究的主要内容及章节安排

1．6 本章小结

第二章 涡激振动结构-尾流振子流固耦合模型

2．1 流固耦合模型的建立

2．1．1 结构振子

2．1．2 尾流振子

2．1．3 结构-尾流耦合振子

2．2 流固耦合模型的求解

2．3 流固耦合模型各参数值确定

2．4 本章小结

第三章 深海采矿扬矿硬管流固耦合力学行为特性

3．1 管道流固耦合力学模型的建立

3．2 管道流固耦合力学模型的求解

3．3 不同参数对管道固有频率的影响

3．3．1 内流流速对管道固有频率的影响

3．3．2 管长对管道固有频率的影响

3．3．3 内径对管道固有频率的影响

3．3．4 外径对管道固有频率的影响

3．3．5 顶端张力对管道固有频率的影响

3．4 不同参数对管道和尾流振动响应的影响

3．4．1 内流流速对管道和尾流振动响应的影响

3．4．2 管长对管道和尾流振动响应的影响

3．4．3 内径对管道和尾流振动响应的影响

3．4．4 外径对管道和尾流振动响应的影响

3．4．5 顶端张力对管道和尾流振动响应的影响

3．4．6 外流流速对管道和尾流振动响应的影响

3．5 本章小结

第四章 深海采矿扬矿硬管流固耦合力学行为快速分析方法

4．1 管道流固耦合快速分析方法的建立

4．1．1 管道外部耦合流场简化模型

4．1．2 管道内部耦合流场简化模型

4．2 管道流固耦合快速分析方法实例分析

4．3 本章小结

第五章 深海采矿扬矿硬管流固耦合作用下损伤容限设计

5．1 McEvily损伤容限设计疲劳寿命计算模型

5．1．1 McEvily模型的疲劳寿命基本计算公式

5．1．2 疲劳极限与门槛值的关系

5．1．3 裂纹闭合效应

5．1．4 裂纹扩展关系的修改表达式

5．1．5 当量初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸

5．2 深海采矿扬矿硬管流固耦合作用下疲劳寿命计算

5．2．1 疲劳寿命计算参数的确定

5．2．2 随机参数的蒙特卡洛模拟

5．2．3 管道时间载荷历程

5．2．4 最大应力强度因子对疲劳寿命的影响

5．2．5 应力强度因子有效范围对疲劳寿命的影响

5．2．6 管道的疲劳寿命计算

5．3 本章小结

第六章 深海采矿扬矿硬管模型频率验证实验及分析

6．1 管道模型频率验证实验

6．1．1 管道模型频率验证实验的主要内容和目的

6．1．2 实验系统的构造及实验原理

6．1．3 实验所用管道模型的参数

6．2 实验结果及分析

6．3 实验中遇到的问题

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要研究成果