深海采矿扬矿管纵向振动的有限元分析

建立了深海采矿扬矿管的纵向振动微分方程,应用矩阵迭代法求取扬矿管的固有频率和固有振型,使用MAT-LAB得到了扬矿管固有频率,并绘制扬矿管的固有振型曲线。采用直接积分法中的Newmark法求解扬矿管的动力学响应,利用abaqus对扬矿管的纵向振动进行了仿真计算,绘制了扬矿管上4个位置的振动随时间的变化曲线,以及在10个采样时间点扬矿管振动随位置的变化曲线。     

深海海底采矿扬矿管系统的三维动态分析

对于过去文章中提出的从5000m和6000m深的海底开采锰结核的2种扬矿管模型，分别完成了时域内垂直状态下轴向强迫振动和三维拖曳特性的非线性动态分析。所用的海底采矿分析方法以集中质量法和增量迭代法为基础。用纽马克（Newmark）方法进行时间积分。水中的泵及缓冲器看作刚体。基于模拟分析，对扬矿管设计的两个问题进行了讨论：管的结构强度和采矿作业的总体集中控制。     

深海采矿扬矿管的横向运动响应分析

在陆地矿产资源日渐枯竭与工业需求不断增长的矛盾下,深海矿物的开采已是势在必行。深海采矿扬矿管有区别于石油平台立管的特殊之处,由于处于悬垂状态而具有高自由度,因此其水平运动响应值得关注。采用有限元软件Abaqus的Aqua模块对其进行有限元模拟,通过建模计算,得到扬矿管在作业状态与不同拖航速度下的水平偏移与弯矩分布情况,得到了一些具有参考价值的结论。     

深海采矿扬矿实验系统相似条件及相似准数的确定

根据流体动力学原理,从深海采矿扬矿实验系统中流体动力学相似条件入手,利用数学分析方法,研究实验系统中各参数之间的关系,确定实验系统中几何相似、运动相似及动力相似条件以及应遵循的准数。结果表明,主要相似准数为雷诺数(动力相似准数)。试验时根据雷诺数的范围进行速度变化,从而实现运动相似,可为以后建立实验室及具体试验提供理论依据。     

波流联合作用下深海扬矿管的水平液动力载荷

深海多金属结核采矿系统由集矿机、输送软管、中间矿仓、扬矿管及采矿船等组成,如图1所示。其基本工作原理是：采矿船在海面按设计的线路行走,同时集矿机在海底运行并采取半埋入海底表面的多金属结核。采集的结核在集矿机内清洗、脱泥和破碎后,经软管输送到连接于扬矿管下端的中间矿仓,并经扬矿管扬送到海面的采矿船上。串接于扬矿管道中间的潜水矿浆泵作为动力装置,将中间矿仓内的结核矿浆吸入管道并泵送到采矿船上。     

深海采矿扬矿管横向运动特性

将扬矿管考虑成弹性梁，通过分析梁单元在垂直平面所受的各种横向载荷的影响，建立梁单元横向振动的数学模型，同时根据扬矿管的边界条件，利用伽疗金法，对运动方程进行求解。求出扬矿管相对于船的偏移、扬矿管的弯曲应力以及在不同拖航速度及不同时刻扬矿管的偏移和弯曲应力的变化规律，给扬矿管的整体设计提供依据。     

深海采矿扬矿硬管纵向振动的解析分析

深海采矿系统中，扬矿管纵向振动是影响扬矿管寿命的主要因素。本文对带有泵组及中间仓的阶梯式扬矿管的纵向振动进行了建模，并用解析方法对方程进行求解，通过计算机的模拟计算，分析了扬矿管纵向振动稳态响应的特性。     

深海采矿扬矿管的运动对流动参数影响的研究

结合深海开采扬矿应用条件建立了模拟扬矿管升沉、摆动和倾斜的提升试验系统, 进行了较大摆幅和较宽频率范围的试验, 获得了比较全面的试验数据, 建立了计算模型。研究所确定的提升管升沉、摆动和倾斜对管内流动参数的影响规律已应用于5 000 m深海采矿系统中试技术设计和1 000 m水深海试采矿系统设计及其扬矿设备的研制。     

大洋锰结核深海开采扬矿技术

介绍了国外大洋锰结核深海开采扬矿技术与关键设备的研究开发状况和我国扬矿技术研究现状。通过对各种扬矿方法优缺点的分析评价得出采用矿浆泵水力提升和气举泵提升进行深海开采扬矿的现实可行性, 认为矿浆泵提升最有可能成为商业开采的第一代扬矿方法。为了有效开采大洋锰结核, 应十分重视扬矿参数的基础研究和扬矿设备的研制。     

深海采矿扬矿泵内固体颗粒运动特性数值模拟

针对深海采矿输送系统中扬矿泵易堵塞和磨损等问题,采用标准κ-ε湍流模型求解扬矿泵内流场,并运用离散相模型模拟颗粒流动轨迹,研究了颗粒粒径、导叶进口安放角、导叶数量对扬矿泵堵塞及磨损特性的影响。结果表明,总体上,颗粒在导叶1区与前盖板碰撞次数最多,对导叶前盖板磨损严重;在3、4区与压力面碰撞次数最多,颗粒与导叶碰撞主要起到改变颗粒运动轨迹的作用,对3、4区的导叶压力面的磨损并不严重。随着粒径增大,平均过导叶时间和碰撞次数呈增加趋势,且增加了颗粒与吸力面碰撞的可能性。随着导叶进口安放角增大,平均碰撞次数和平均过导叶时间均随之增加,颗粒与压力面碰撞区域越靠近导叶进口处,对压力面进口造成的磨损越严重。随着导叶数量增加,过导叶时间有减小的趋势;颗粒与导叶压力面碰撞位置向导叶中部移动,对压力面的磨损程度较轻。     

基于谐响应分析的扬矿泵安装位置的研究

取不同长度管道,以弹性约束代替升沉补偿装置作用,采用能量积分法建立管道的振动方程,使用有限元方法分析了扬矿泵安装在管道的不同位置时的动力学响应。结果表明,单载荷激励作用下,应力谐响应由小到大分别为：扭矩激励、波浪纵向激励、波流联合水平激励,三者联合且同相位激励时,系统谐响应显著增大;扬矿泵安装位置从高往低下降时,管道最大等效应力呈现由大到小、再由小到大的变化规律,最大等效应力的极小值所对应的扬矿泵位置为次优安装位置。根据特定长度管道的扬矿泵次优安装位置,建立了扬矿泵的次优安装位置经验公式,为扬矿系统的定量设计提供参考依据。     

坐底式深海采矿系统力学分析

为了隔离中继站与软管及采矿车的相对运动,提出了一种坐底式深海采矿系统,建立了考虑波浪、海流等因素影响的采矿船、张紧器和输送管的全系统耦合分析模型,对各设计工况下张紧器张力、输送管等效应力以及挠性接头转角等参数进行了计算分析,结果均满足相关规范要求,验证了坐底式深海采矿系统的可行性和作业的安全性.     

深海扬矿系统的柔性多体系统动力学仿真

为研究深海扬矿系统动力学特征, 开展了扬矿系统柔性多体系统动力学仿真研究。基于柔性多体系统动力学理论, 提出了深海扬矿管道柔性多体建模方法。对经典的梁受迫振动问题进行了动力学仿真并与解析解进行了对比, 验证了方法的正确性。针对实验室模拟系统建立了深海扬矿系统柔性多体系统动力学模型并进行了动力学仿真研究, 结果表明管道形态、应力等仿真结果与实验结果符合较好。本研究可为深海扬矿系统动力学研究提供参考和依据。     

深海采矿水力提升管路系统紧急泄料过程参数分析

在现有的深海采矿工艺中,以水力提升最具有前景,但水力提升系统投资巨大,存在诸多风险,其中紧急情况下为避险可能需要快速将管道中物料泄空,确保管道不被堵塞。分析提升管路中浆体的受力情况,建立了深海采矿水力提升管路中浆体的运动方程,探讨了提升管路中的浆体的下泄速度与提升浓度和管路直径之间的相互关系。在此基础上,提出了4种快速泄料的方案,并进行了比较。结果可为深海采矿中试系统设计提供依据。     

深海集矿作业车行走控制系统的研究

针对深海稀软底质上采集多金属结核的集矿作业车行走控制问题,采用了上位机-下位机控制模式。采用NI控制器、采集板卡和实时操作系统,基于LabVIEW进行控制系统的软件开发,综合利用惯导、多普勒计程仪(DVL)以及声学定位技术等进行作业车姿态测量和轨迹跟踪,采用分层控制策略实现对集矿作业车水下行走的智能控制。通过实验室水池实验,检验了集矿作业车控制系统的运行性能,为后续海上试验奠定了基础。     

深海粗颗粒矿石垂直管道水力提升技术

全面论述了近30年来国内外深海采矿垂直管道水力提升技术的发展和研究现状, 对十几个国家深海采矿垂直管道水力提升系统进行了描述和分析, 重点介绍了我国深海采矿垂直管道水力提升技术的研究成果。从管道输送安全角度考虑, 论述了垂直管道堵塞的关键问题和解决措施, 可为我国深海多金属结核、富钴结壳和热液硫化物等金属矿产资源垂直管道水力提升技术的研究提供参考。     

粗颗粒矿石在提升硬管底部管道内流动状态试验研究

为研究粗颗粒矿石在提升硬管底部管道内的流动状态,在实验室建立了2套试验系统,对提升硬管底部Y型结构和U型结构开展了粗颗粒提升输送性能试验研究,分析了粗颗粒提升速度和输送浓度对流动状态的影响,观察了2种管道结构下粗颗粒的堵塞状态。结果表明,Y型结构的输送状态优于U型结构。该研究结果可为深海采矿系统中提升硬管底部管道结构设计提供试验验证基础。