钴结壳螺旋滚筒采集头切削参数优化设计及其动力学仿真

摘要

在钴结壳开采过程中,对钴结壳及其基岩的破碎是一个重要的环节,既要保证足够高的采集率,又要能降低破碎比能耗和废石混入率,这是相关研究的关键问题。
　　 论文通过理论推导,建立了优化模型,并构建一种基于遗传算法和蚂蚁算法的混合算法,针对不同的微地形,对所建的优化模型进行优化,同时运用LS-DYNA对模型进行动力学仿真,最后通过实验验证该优化模型的正确性。本文的主要成果及结论如下:
　　 1、根据海底采矿作业的特点,对截齿、采集头进行了力学分析,得到了截齿、采集头受力的计算公式;根据螺旋滚筒及其截齿的运动特性,推导出钴结壳切削平均切削厚度的近似计算方法。
　　 2、根据采集头的工作特点,推导出截齿的三向阻力的计算公式;根据海底微地形的特点,建立采集头切削钴结壳及其基岩的采集量计算模型;在考虑比能耗、采集率、废石混入率多种因素下,建立了优化模型。
　　 3、构建一种基于遗传算法和蚂蚁算法的混合算法,该算法充分利用了遗传算法全局快速寻优和蚂蚁算法局域收敛性能好的优点,取得了优化性能和时间性能的双赢,同时编制了相应的优化设计程序,针对不同的微地形,对所建的优化模型进行优化,最后对优化结果进行线性回归分析,分别得到了采集头轴心高度、牵引速度、滚筒转速与粗糙度、相对平均高程、高程平均标准差之间的关系。
　　 4、运用ANSYS/LS-DYNA对钴结壳的切削过程进行了模拟,通过模拟得出了在不同切削速度下钴结壳切削比能耗和切削力3个方向分力的变化规律,从而验证优化设计结果的正确性:运用MATLAB对三向阻力进行频谱分析,得到了频域中各载荷的能量分布曲线,从中分析得出各向载荷的主要频率集中在0～20Hz之间,从而在进行采集头结构设计时要尽可能使其固有频率远离主要频率。
　　 5、根据上述研究,作者进行了实验研究,通过实验测试证明,实验的结果与优化设计的结果吻合较好,达到了预期的理论研究目的。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究开发现状

1.2.1 国外钴结壳开采现状

1.2.2 国内钴结壳开采现状

1.3 优化设计方法发展概述及算法的比较和选择

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

1.6 本章小结

第二章 螺旋滚筒采集头力学分析及切削厚度研究

2.1 采集头截齿的选择和布置

2.1.1 采集头截齿的选择

2.1.2 采集头截齿的布置

2.2 采集头力学分析

2.2.1 截齿受力分析

2.2.2 截齿平均载荷计算

2.2.3 采集头受力分析

2.3 采集头切削过程切屑形成机理与平均切削厚度计算

2.4 本章小结

第三章 螺旋滚筒采集头优化模型的建立

3.1 螺旋滚筒总功率计算

3.2 破碎钴结壳及其基岩的体积采集量计算

3.3 破碎钴结壳及其基岩的采集量计算

3.4 优化模型的建立

3.4.1 破碎比能耗

3.4.2 钻结壳采集率

3.4.3 废石混入率

3.5 约束条件的确定

3.5.1 优化变量的确定

3.5.2 优化变量的约束

3.6 本章小结

第四章 基于遗传蚂蚁算法的螺旋滚筒采集头参数优化

4.1 遗传蚂蚁算法

4.1.1 遗传算法和蚂蚁算法的基本思想

4.1.2 遗传算法和蚂蚁算法的结合

4.1.3 遗传蚂蚁算法性能测试

4.2 优化结果与分析

4.2.1 采集头切削参数优化结果

4.2.2 优化结果线性回归分析

4.3 本章小结

第五章 钴结壳切削过程的动力学分析

5.1 LS-DYNA简介

5.2 三维有限元切削模型切削过程的模拟

5.2.1 切削模型模拟方案

5.2.2 三维实体模型的建立

5.2.3 单元类型及材料模型的选择

5.2.4 几何模型和网格划分

5.2.5 定义接触和边界条件及载荷条件

5.2.6 求解

5.2.7 计算结果分析

5.3 钴结壳切削过程的三向阻力频域分析

5.4 本章小结

第六章 实验与验证

6.1 实验目的

6.2 实验内容

6.2.1 实验台的构造及其工作原理

6.2.2 制作钴结壳及基岩模拟料

6.2.3 实验测试系统

6.3 实验参数

6.4 实验结果分析

6.4.1 实验一的结果分析

6.4.2 实验二的结果分析

6.4.3 实验三的结果分析

6.5 实验结论

6.6 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