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深海采矿扬矿管道系统力学行为模拟试验系统研究

胡琼

  随着陆地资源的日趋枯竭,世界资源开发的战略眼光开始聚集到海洋上。对于正逐步崛起的世界新兴经济体之一的中国来说,开发深海矿产资源正成为影响国家长远发展的一项重大课题。 深海采矿扬矿管道系统是深海采矿系统的重要组成部分,包括升沉补偿装置、扬矿硬管、中间仓、提升泵及软管。论文以大洋多金属结核开采及我国采矿系统技术方案为工程背景,针对深海采矿扬矿管道系统动力学问题,提出了扬矿管系力学行为模拟试验研究方案,并在此基础上建立了一套模拟试验研究系统,旨在完成升沉补偿模拟试验、扬矿管道力学行为性能分析模拟试验、布放回收过程水动力学性能分析模拟试验等等,可对计算机仿真进行验证,提供仿真的边界条件以及水动力系数等等,为未来的采矿作业和海试提供理论分析与技术参考。论文的主要研究内容如下: 1.进行了深海采矿扬矿管道系统力学行为模拟试验系统的方案设计,提出一种便于在实验室开展的模拟试验系统方案,即采矿船运动模拟器方案,用Stewart六自由度平台模拟采矿船在海面的运动,在此基础上进行各项模拟试验研究。 2.提出了深海采矿扬矿管系动力学分析模拟试验系统的功能要求,分别提出了升沉补偿模拟试验、扬矿管道力学行为性能分析模拟试验、布放回收过程水动力学性能分析模拟试验的方案设计,最后提出了可以进行这三种模拟试验的试验平台的实验室建设方案。 3.对海浪进行研究,并确定采矿船在随机海浪中的响应。根据采矿船在随机海浪中的响应,依据相似原理,确定采矿船运动模拟器的参数,研制了一台采矿船运动模拟器,以实现采矿船在海浪中横摇、纵摇、升沉运动以及试验时需要的任意运动姿态(油缸行程范围内)。采矿船运动模拟器采用PID控制,为了确定PID控制参数,建立了阀控缸系统的数学模型,并用试验验证了该数学模型的合理性。在此数学模型的基础上,进行了Simulink中参数的初步调整和试验中进一步调整,确定了PID控制器参数,以达到最佳控制效果。最后进行了采矿船运动模拟器的性能测试,结果表明,该运动模拟器可以在预定的轨迹下按照一定的幅度和周期运动,能够用于模拟采矿船在海面的随机运动。 4.提出升沉补偿模拟试验系统的具体方案设计,升沉补偿采用主动电液系统,纵横摇补偿采用万向架平台,并在此基础上建立了升沉补偿模拟试验系统。采用PID控制方法,进行了Simulink中参数的初步调整和试验中进一步调整,确定了PID控制器参数。进行了不同海况下的采矿船运动模拟器简谐运动及随机运动的升沉补偿试验,升沉补偿的效果超过了预期的目标,对影响升沉补偿效果的因素进行了研究。 5.对采矿系统布放回收过程中水动力学的模拟试验系统进行了具体的方案设计,在采矿船运动模拟器的基础上建立了模拟试验系统,进行了布放过程入水工矿的模拟试验,试验结果验证了仿真结果的正确性。 本文研究为扬矿管系动力学问题的研究提供了一个有效的实验室模拟试验平台。提出并实现了深海采矿扬矿管系力学行为模拟试验研究系统,进行了升沉补偿模拟试验及布放回收过程水动力学性能分析模拟试验。论文为解决深海采矿扬矿管系动力学研究问题提供了新的研究手段。……   
[关键词]:深海采矿;模拟试验;扬矿管系;力学行为;六自由度平台;升沉补偿;布放回收
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中南大学2011年
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