深海采矿系统布放回收过程中水动力计算及仿真研究

摘要

根据现阶段的研究成果，我国深海采矿系统研究采用的是自行式集矿机加水力管道提升采矿系统；在该系统采矿作业开始前和结束后的布放回收作业是采矿作业顺利进行的前提。采矿系统的布放回收作业必须克服海洋环境的影响，因此对布放回收作业受海洋载荷影响研究以及海洋载荷（尤其是水动力）的计算是非常有必要的。 本文以深海采矿系统布放回收过程水动力为研究对象，根据面元法的基本原理编制了计算无限场三维物体附加质量的计算程序，通过理论和实验验证了程序的计算精度，在此基础上计算了深海采矿系统水下设备的附加质量和附加质量系数；在引入水动力影响的基础上，建立了布放回收过程虚拟样机模型，分析了水动力对布放回收的影响及不同布放回收速度下软管的受力。 论文的主要工作和结论如下： 1、分析了我国深海采矿1000m海试系统的布放回收过程中海洋载荷组成，由此提出采矿系统中水动力计算和水动力影响研究的重要性；引入附加质量和附加质量系数来描述深海采矿系统的水动力。 2、根据势流理论和面元法的基本原理，采用Fortran语言编制了两种基于面元法的附加质量和附加质量系数计算程序；通过算例的分析，验证了计算程序的正确性，比较了两种程序的精度和效率；同时通过测试计算长方体附加质量的实验，进一步验证了面元法程序计算长方体一类非流线型物体的附加质量是能满足工程计算精度需要的。 3、建立了深海采矿关键部件（集矿机、中间仓、扬矿管和扬矿泵）的三维模型并划分网格，采用数值计算程序得出了上述部件三个平动方向的附加质量和附加质量系数。 4、利用ADAMS建立了深海采矿系统集矿机布放回收的虚拟样机模型，虚拟样机模型的仿真结果表明，在集矿机布放回收过程中水动力对扬矿软管的受力有较大影响；文中同时也对不同布放速度和回收速度下扬矿软管的受力进行了比较，对布放回收的速度及强度设计安全系数提出了建议值。

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第一章绪论

1.1课题背景

1.2深海采矿系统及布放回收操作

1.2.1深海采矿系统组成

1.2.2布放回收作业

1.3采矿系统布放回收水下阻力组成

1.4研究现状

1.4.1水动力及附加质量研究现状

1.4.2布放回收研究现状

1.5本文主要内容

第二章附加质量及其数值计算

2.1附加质量相关理论

2.2面元法基本理论

2.3基于面元法的附加质量计算程序

2.4本章小结

第三章附加质量计算程序验证

3.1附加质量计算理论验证

3.1.1深海采矿浮力体附加质量计算

3.1.2球体附加质量理论值计算

3.1.3结果分析及计算程序比较

3.2附加质量计算实验验证

3.2.1附加质量实验测量

3.2.2长方体质量块附加质量计算

3.2.3实验结果分析

3.3本章小结

第四章采矿系统水下设备附加质量计算

4.1集矿机附加质量数值计算

4.2扬矿管附加质量数值计算

4.3中间仓附加质量的数值计算

4.4扬矿泵附加质量数值计算

4.5本章小结

第五章深海采矿系统布放回收水动力影响仿真研究

5.1采矿船运动模拟

5.1.1采矿船运动分析

5.1.2随机波及采矿船运动

5.2集矿机布放回收海洋载荷分析

5.3集矿机布放回收虚拟样机模型

5.4布放回收过程仿真结果分析

5.4.1水动力对布放回收装置的影响

5.4.2布放回收速度讨论

5.5本章小结

第六章结论与展望

6.1本文主要结论

6.2进一步研究展望

参考文献

致谢

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