基于多剛體動力學(xué)的海試系統(tǒng)聯(lián)動特性分析

基于多剛體動力學(xué)的海試系統(tǒng)聯(lián)動特性分析

集礦機(jī)中間倉深度多金屬開采系統(tǒng)的任務(wù)是在海底收集確認(rèn)礦石，并將其提升到海上，通過脫水和運輸?shù)礁劭?。中?000m多金屬結(jié)核海試系統(tǒng)主要由采礦船、提升泵、揚(yáng)礦硬管、中間倉、軟管和集礦機(jī)組成,如圖1所示。集礦機(jī)位于1000m深的海底,為了保證自行式集礦機(jī)的機(jī)動性,避免揚(yáng)礦管對其產(chǎn)生動力影響,集礦機(jī)通過400m軟管與中間倉相連,軟管在浮力體的作用下呈雙拱馬鞍形。中間倉位于水深900m處,上面安裝軟管輸送泵和硬管提升的給料機(jī),當(dāng)結(jié)核豐度變化引起采集結(jié)核量改變時,保持向揚(yáng)礦管供礦量的穩(wěn)定,提高揚(yáng)礦效率。中間倉頂部通過接頭與提升硬管聯(lián)接。硬管提升段長度為900m,提升泵安裝于水下300m處。系統(tǒng)的運行方式為:集礦機(jī)按預(yù)定回采路徑,以人工控制或自動控制方式在礦區(qū)行進(jìn);水面船拖曳輸送管系統(tǒng)和中間倉隨集礦機(jī)行進(jìn)。國內(nèi)外已有的關(guān)于采礦系統(tǒng)動力學(xué)研究很少有對整體系統(tǒng)的聯(lián)動特性進(jìn)行分析,多是單獨研究揚(yáng)礦硬管或軟管的靜動態(tài)特性,采用的方法大多是有限元法,也有采用離散元法對揚(yáng)礦硬管做過二維動態(tài)分析。本文主要側(cè)重對深海采礦整體系統(tǒng)的聯(lián)動特性進(jìn)行分析,研究采礦系統(tǒng)在開采作業(yè)的聯(lián)動狀態(tài)下?lián)P礦硬管的管線形態(tài)和受力、中間倉的偏移、揚(yáng)礦軟管的空間形態(tài)和受力,對可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析和模擬,為采礦系統(tǒng)的研制和開采作業(yè)的聯(lián)動控制提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。1限制條件和環(huán)境負(fù)荷處理1.1百民海試系統(tǒng)方案整體系統(tǒng)建模首先要確定各組成部分之間的聯(lián)接關(guān)系。根據(jù)中國1000m海試系統(tǒng)的方案,初步確定:硬管上端與船的聯(lián)接型式為球型鉸接,硬管下端與中間倉的聯(lián)接型式為十字型鉸接;軟管上端與中間倉的聯(lián)接型式為十字型鉸接,軟管下端與集礦機(jī)的聯(lián)接型式為十字型鉸接。1.2環(huán)境載荷的計算采礦系統(tǒng)處于海洋環(huán)境中,承受著來自海洋環(huán)境的風(fēng)、波、流等環(huán)境載荷。海洋環(huán)境載荷的計算主要包括兩個部分,作用于采礦船的載荷的計算和作用于水下設(shè)備的載荷的計算。整體聯(lián)動系統(tǒng)建模時假定海浪僅對水面支持船起作用,而水下管線系統(tǒng)僅受海流力的作用。1.2.1斜搖和垂蕩運動雖然水面支持船會由于海浪的作用產(chǎn)生橫搖、縱搖和垂蕩運動?？紤]升沉補(bǔ)償裝置的作用,硬管系統(tǒng)在水下處于相對穩(wěn)定。整體聯(lián)動系統(tǒng)建模時僅考慮硬管頂部有垂蕩運動,可用簡諧運動來模擬。1.2.2熱設(shè)計深度和海流流速隨海水深度的變化海流的方向和大小是變化的,為簡化計算,一般按穩(wěn)態(tài)流來考慮。根據(jù)中國1000m海試系統(tǒng)方案給出的海洋表面海流速度為0.772m/s,海底海流速度為0.15m/s,參考國內(nèi)外資料,確定海流隨海水深度的變化可按圖2曲線模擬?？梢婋S著深度的增加,海流流速變化越小,超過400m水深以后,海流流速基本不變。考慮軟管和硬管的直徑D和波長λw相比很小,屬于小直徑構(gòu)件,構(gòu)件任一點的液動力可以根據(jù)Morison公式由該點的水質(zhì)點速度和加速度確定。計算公式如下:式中f(z,t)-t時刻流體作用在管道z處的水平力;Cm-質(zhì)量系數(shù);Cd-法向阻力系數(shù);ρ-海水密度;D-管道外徑;Vx-z處中點位置處的水質(zhì)點的法向相對速度;處中點位置處的水質(zhì)點的法向相對加速度。2虛擬腳本本研究應(yīng)用大型商業(yè)動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS建立深海采礦系統(tǒng)虛擬樣機(jī)。2.1水體物理特性船體是在ADAMS/View建模環(huán)境中通過幾何體建模構(gòu)建出來,然后賦予材質(zhì)和物理特性。船體質(zhì)心定義于月池中軸線上,質(zhì)量按照試驗船的真實船體質(zhì)量修正。船體在波浪中的運動主要包括升沉、橫搖、縱搖等運動。本研究主要考慮船體的升沉運動,采用在船體質(zhì)心處添加一個垂直方向的簡諧運動來模擬船體升沉。2.2虛擬樣機(jī)建模復(fù)雜集礦機(jī)是整個采礦系統(tǒng)的一個十分重要的組成部分?？紤]到利用ADAMS/ATV模塊建立的集礦機(jī)虛擬樣機(jī)模型非常復(fù)雜,計算過程中非常費時且占用內(nèi)存空間相當(dāng)大,不利于整體系統(tǒng)聯(lián)動性能的分析計算。因此本研究對集礦機(jī)只考慮外形與尺寸、質(zhì)心的位置及與軟管連接位置,集礦機(jī)運動施加在質(zhì)心處,不考慮其實質(zhì)的力學(xué)性能。2.3主要部件組成中間倉在采礦系統(tǒng)中的作用是緩解集礦機(jī)結(jié)核采集量的變化對揚(yáng)礦作業(yè)的影響,它由擺動聯(lián)接裝置、框架、倉體、給料機(jī)、設(shè)備安裝平臺、液壓系統(tǒng)等主要部件組成。在整體聯(lián)動系統(tǒng)分析中,不考慮內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu),將其簡化為一個外形尺寸為4m×4m×6m的質(zhì)量塊,上、下兩端采用十字鉸分別與揚(yáng)礦硬管和軟管相連。2.4管結(jié)構(gòu)的離散元分析方法對于揚(yáng)礦硬管部分,主要考慮采礦系統(tǒng)的整體聯(lián)動性能,管道上的電纜、泵等附加部分質(zhì)量折算到管道上,整個管道作為光管處理。深海采礦系統(tǒng)的揚(yáng)礦硬管是由若干根數(shù)米長的硬管用管接頭連接而成的,長達(dá)數(shù)千米的管線,已經(jīng)不能完全作為一個剛性構(gòu)件考慮,必須考慮其大位移、小變形的幾何非線性特性。本研究基于多剛體動力學(xué)的理論,采用離散元方法(DiscreteElementMethod,簡稱DEM法)對上述管線系統(tǒng)進(jìn)行分析。將管結(jié)構(gòu)離散為n個等長度的不發(fā)生彈性變形的剛性單元(簡稱剛體元),相鄰的剛體元之間用無質(zhì)量、無長度的柔性聯(lián)接元相連。該柔性聯(lián)接元等效于三個位移彈簧和三個彎曲彈簧。在動力學(xué)分析中,剛體元只有動能而無彈性勢能,而柔性聯(lián)接元只有彈性勢能而無動能。管結(jié)構(gòu)的變形能僅僅儲存在柔性聯(lián)接元中,剛體元中任一點的位移完全由剛體元質(zhì)心的剛體位移來描述。利用上述多剛體離散元方法,在ADAMS中建立硬管模型采用的柔性連接元為軸套力,即將900米長的揚(yáng)礦硬管離散為90個剛體元,相鄰剛體元之間施加軸套力。軸套力是ADAMS建模中兩個部件之間的一種柔性連接方式,可在一定距離的兩個部件之間施加三個力和三個力矩。硬管所受液動力根據(jù)Morison公式編寫函數(shù),以單作用力的形式直接加在每段剛體的質(zhì)心位置。2.5生浮性的建模輸送軟管部分由輸送泵、軟管、浮力裝置、軟管與集礦機(jī)及中間倉的連接機(jī)構(gòu)等組成。通過在軟管兩處分布浮力單元產(chǎn)生浮力的作用,將軟管的空間構(gòu)形確定為易于伸展的雙拱結(jié)構(gòu)的馬鞍形形態(tài)。建立軟管模型仍然采用與硬管建模相似的方法,每根軟管之間的連接也采用軸套力。軟管下端采用十字鉸與集礦機(jī)相連,上端亦采用十字鉸與中間倉相連。浮力采用ADAMS力庫中的組合作用力模擬。將上述各子系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型連接起來,得到整體系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型。3動特性介紹本文對采礦系統(tǒng)在順流、逆流兩種情況下的聯(lián)動特性進(jìn)行討論。設(shè)定海流朝-X方向或+X方向,集礦機(jī)與采礦船朝+X方向聯(lián)動,且采礦船同時做升沉運動,幅度4m,周期8s。3.1集礦機(jī)與采礦船聯(lián)動圖3為集礦機(jī)與采礦船以三種不同速度沿+X軸方向逆流運動160m后采礦系統(tǒng)的形態(tài)。圖4為中間倉相對采礦船的X向位置變化曲線,可見中間倉X方向初始偏移-13.8m,(a)工況下,系統(tǒng)運動160m后偏移為-50.6m;(b)工況下,偏移為-80.5m;(c)工況下,偏移為-96.2m;圖5為集礦機(jī)受軟管水平作用力變化曲線?？梢娺\動160m后,(a)工況集礦機(jī)水平方向受力約為-4133N,且基本穩(wěn)定。(b)、(c)工況,水平方向所受反力不斷增大,分別達(dá)到-12535N和-17029N。仿真結(jié)果表明集礦機(jī)與采礦船聯(lián)動逆流前進(jìn)時,速度越大,中間倉偏移越大。如以1.0m/s的速度逆流前進(jìn)約160m,中間倉偏移會達(dá)到96.2m,由圖3可見此時采礦系統(tǒng)的形態(tài)已不能滿足采礦要求,可確定聯(lián)動速度不能取到1.0m/s。同理,聯(lián)動速度亦不能取到0.8m/s。0.5m/s的速度是比較適宜的,運動160m后中間倉偏移變化較小,基本穩(wěn)定在-51m附近。另外考慮到聯(lián)動時逆流前進(jìn),即使0.5m/s的速度中間倉偏移也有51m,因此開始聯(lián)動時,集礦機(jī)與采礦船的位置不能太近。3.2集礦機(jī)與采礦船聯(lián)動順流前進(jìn)能力分析圖6為集礦機(jī)與采礦船以不同速度沿+X軸方向順流運動160m后采礦系統(tǒng)形態(tài)。圖7為中間倉相對采礦船的X向位置變化曲線,可見中間倉X方向初始偏移-9.1m,(a)工況下,系統(tǒng)運動160m后偏移為-22.5m;(b)工況下,160m后偏移為-45.7m;(c)工況下,160m后偏移為-62.0m;圖8為集礦機(jī)受軟管水平作用力變化曲線?？梢娺\動160m后,(a)工況集礦機(jī)水平方向受力約為4031N,并且尚未反向。(b)、(c)工況,水平方向所受力不僅反向且不斷增大,分別為-3062N和-7789N。仿真結(jié)果表明集礦機(jī)與采礦船聯(lián)動順流前進(jìn)時,速度越大,中間倉偏移越大。如以1.0m/s的速度順流前進(jìn)約160m,中間倉偏移會達(dá)到-62m。如以0.5m/s的速度順流前進(jìn)約160m,中間倉偏移僅為22.5m,且運動120m后中間倉偏移即基本穩(wěn)定。與上節(jié)逆流運動對比,可知聯(lián)動時低速順流運動,系統(tǒng)受力最好;高速逆流運動狀態(tài),系統(tǒng)受力最惡劣。4邊界條件和海流方向的影響對深海采礦整體系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析,可以為系統(tǒng)的研制和開采(試驗)作業(yè)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。本文基于多剛體動力學(xué)的理論,建立了1000m深海采礦系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型,給出了邊界條件及海洋環(huán)境載荷