基于adams的深海采礦系統(tǒng)布放回收裝置仿真研究

基于adams的深海采礦系統(tǒng)布放回收裝置仿真研究

1研磨法上集礦機(jī)布放過程模擬由于波浪、波浪和波浪的作用，采礦船在海床上旋轉(zhuǎn)，船上設(shè)備在懸掛和鉆孔過程中也會產(chǎn)生傾斜。如果傾斜范圍過大，就會影響船舶結(jié)構(gòu)，損壞礦山船的結(jié)構(gòu)和設(shè)備，并導(dǎo)致整個(gè)采礦過程的失敗。因此,需要對大洋采礦系統(tǒng)的布放、回收過程進(jìn)行動力學(xué)分析和模擬,從而為大洋采礦系統(tǒng)布放回收裝置設(shè)計(jì)方案的確定和海試作業(yè)中布放回收的操縱提供技術(shù)依據(jù)。本文以ADAMS為工具,對深海采礦作業(yè)布放回收過程中集礦機(jī)的布放過程進(jìn)行了仿真研究。ADAMS軟件是美國MechanicalDynamicsInc.公司研制的集建模、求解、可視化于一體的虛擬樣機(jī)軟件,是目前世界上使用范圍最廣、最負(fù)盛名的機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件。在ADAMS環(huán)境下,通過建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字化虛擬樣機(jī),可以真實(shí)地仿真系統(tǒng)運(yùn)動過程,并且可以迅速地分析和比較多種參數(shù)方案,直至獲得優(yōu)化的工作性能,從而大大減少昂貴的物理樣機(jī)制造及試驗(yàn)次數(shù),提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量,大幅度地縮短產(chǎn)品研制周期和費(fèi)用。2布放回收技術(shù)由中國大洋協(xié)會開發(fā)的深海采礦系統(tǒng)由采礦船、揚(yáng)礦管、中間艙和集礦機(jī)構(gòu)成(如圖1所示)。該系統(tǒng)中的部分子系統(tǒng)已于2001年在云南撫仙湖成功進(jìn)行了湖試。根據(jù)中國大洋協(xié)會的計(jì)劃,下一步將進(jìn)行1000米水深的海試。海試過程中,整個(gè)采礦系統(tǒng)的設(shè)備由采礦船運(yùn)載至試驗(yàn)區(qū),然后進(jìn)行布放,形成系統(tǒng)。由于海試的環(huán)境相對惡劣,布放回收過程將在較大的風(fēng)、浪、流的作用環(huán)境中進(jìn)行,因此,布放回收是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)很大的工作,布放回收的成功與否也是海試能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。水下開采系統(tǒng)的各種重要設(shè)備平時(shí)存放在船上,布放時(shí)首先用起重機(jī)將集礦機(jī)從存放艙吊移到月池上方;然后將集礦機(jī)、輸送軟管以及電源電纜、控制電纜等與集礦機(jī)連接起來;再將集礦機(jī)從月池放入水中,不斷連接揚(yáng)礦管,逐步下放,使集礦機(jī)到達(dá)海底,并使軟管有一定程度松馳,在此過程中還需按規(guī)定分別接入其他設(shè)備,例如浮力球、中繼艙、提升泵等?；厥者^程是將水下開采系統(tǒng)的各種設(shè)備回收到母船上來,并且安全準(zhǔn)確地吊運(yùn)到規(guī)定的存放位置。本文應(yīng)用ADAMS對深海采礦作業(yè)布放回收過程中集礦機(jī)的布放過程進(jìn)行了虛擬樣機(jī)分析。2模型在布置和回收過程中的示例2.1建立船舶模型根據(jù)海試總體設(shè)計(jì)要求,按照基本尺寸1:1的比例,在ADAMS環(huán)境下建立了布放與回收裝置的虛擬樣機(jī)模型。在建模過程中,可以充分利用ADAMS中豐富的幾何實(shí)體庫,力庫和約束庫,建立船體和集礦車等設(shè)備的虛擬樣機(jī)模型。首先,利用ADAMS/View提供的幾何建模工具創(chuàng)建簡單幾何實(shí)體,通過簡單幾何實(shí)體的連接和布爾運(yùn)算工具按照船體結(jié)構(gòu)和外形建立船體模型;然后,利用模型修飾工具(倒角、殼體等)對船體模型進(jìn)行修飾處理。定義船體材質(zhì)為鋼結(jié)構(gòu)。材質(zhì)定義后,ADAMS/View根據(jù)幾何體體積和密度自動計(jì)算質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量,質(zhì)量按照試驗(yàn)船的真實(shí)船體質(zhì)量修正,船體質(zhì)心定義于月池中軸線上。應(yīng)用同樣方法可建立集礦機(jī)的模型。集礦機(jī)包括車體和浮力體兩大部分。定義車體的密度和浮力體的密度后,ADAMS/View根據(jù)其幾何形狀分別計(jì)算出質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量,由此可以得到集礦機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量。然后通過布爾運(yùn)算工具將車體與浮力體連接為一個(gè)整體,輸入整體的其質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。吊運(yùn)設(shè)備所用的吊車放置在船上的雙軌高架橋上,二者之間定義移動副。吊車的運(yùn)動用函數(shù)來描述,當(dāng)設(shè)備從存放倉吊出時(shí),吊車不運(yùn)動;設(shè)備起吊至一定高度,送往月池上方時(shí),吊車以給定速度運(yùn)行,到達(dá)月池上方后停止。2.2纜繩在建模過程中的作用吊運(yùn)中所使用的纜繩是布放回收過程的一個(gè)關(guān)鍵元素,纜繩的特點(diǎn)和彈簧相比有類似之處,但又有很大差別,尤其是在物體的提升過程中,定義彈簧阻尼很難實(shí)現(xiàn)纜繩不斷縮短的情況。因此需要自定義纜繩的模型。在建模過程中采用對所吊運(yùn)設(shè)備施加作用力的方法,代替纜繩的作用。根據(jù)力的大小與纜繩兩端距離的關(guān)系,定義step函數(shù),從而描述力的變化。ADAMS提供的step函數(shù)(見圖2)為:step(x,x0,h0,x1,因此根據(jù)式(1)定義對纜繩所懸吊的物體施加的作用力為:(1)、(2)式描述了纜繩這樣一個(gè)受力和變形的過程:當(dāng)纜繩兩端的距離小于其原長時(shí),作用力為零,物體在自身重力的作用下運(yùn)動;當(dāng)纜繩上下兩端的距離超過其原長時(shí),纜繩被拉長。纜繩的伸長量在所定義的其彈性變形范圍之內(nèi)。2.3采礦船運(yùn)動仿真船舶受海浪等海洋環(huán)境擾動作用將產(chǎn)生振動運(yùn)動,如果將船視為剛體,則這種運(yùn)動一般有橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩和垂蕩(或升沉)等六個(gè)自由度。因?yàn)椴挤呕厥兆鳂I(yè)時(shí),采礦船的位置由動力定位系統(tǒng)相對固定,所以在仿真中主要考慮橫搖、縱搖和垂蕩對布放過程平穩(wěn)性的影響。船在波中的橫搖響應(yīng)接近于其固有周期。而船舶縱搖和垂蕩的平均周期接近于不規(guī)則波浪的平均周期。船舶各方向上的運(yùn)動可近似的視為簡諧運(yùn)動。根據(jù)海試總體設(shè)計(jì)要求,布放與回收作業(yè)要求能在四級海況下進(jìn)行,考慮出現(xiàn)短時(shí)六級海況的可能。主要參數(shù)如表1所示。根據(jù)上述物理環(huán)境參數(shù),采用由一個(gè)垂直方向的直線簡諧運(yùn)動和二個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)簡諧運(yùn)動組合而成的組合運(yùn)動來模擬采礦船的運(yùn)動狀況。組合運(yùn)動添加于船體重心上。3基于abam的精度積分求解算法ADAMS采用世界上廣泛流行的多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的Lagrange方程方法,建立系統(tǒng)的動力學(xué)方程。它選取系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)剛體質(zhì)心在慣性參考系中的三個(gè)直角坐標(biāo)和確定剛體方位的三個(gè)歐拉角作為笛卡兒廣義坐標(biāo),用帶乘子的Lagrange方程處理具有多余坐標(biāo)的完整約束系統(tǒng)或非完整約束系統(tǒng),導(dǎo)出以笛卡兒廣義坐標(biāo)為變量的運(yùn)動學(xué)方程。在進(jìn)行動力學(xué)分析時(shí),ADAMS采用兩類算法:1)提供三種功能強(qiáng)大的變階、變步長積分求解程序:GSTIFF積分器,DSTIFF積分器和BDF積分器來求解稀疏耦合的非線性微分代數(shù)方程,這種方法適于模擬剛性系統(tǒng)(特征值變化范圍大的系統(tǒng))。2)提供ABAM積分求解程序,采用坐標(biāo)分離算法來求解獨(dú)立坐標(biāo)的微分方程。這種方法適于模擬特征值經(jīng)歷突變的系統(tǒng)或高頻系統(tǒng)。本文所研究的采礦系統(tǒng)布放回收過程的虛擬樣機(jī)是一個(gè)低頻的模擬剛性系統(tǒng),所以,針對該系統(tǒng)的ADAMS系統(tǒng)動力學(xué)方程,采用第一類算法求解。第一類算法中GSTIFF、DS-TIFF和BDF積分器三種積分程序的數(shù)值計(jì)算穩(wěn)定性關(guān)系為:BDF>DSTIFF>GSTIFF(>表示穩(wěn)定性好),數(shù)值計(jì)算效率關(guān)系為:GSTIFF>DSTIFF>BDF。這三種積分程序均適用于模擬剛性系統(tǒng)(特征值變化范圍大的系統(tǒng))。仿真時(shí)應(yīng)根據(jù)所研究的機(jī)械系統(tǒng)選用最為適合的積分程序,而且積分程序中的控制參數(shù),如最大迭代次數(shù)、是否重新分解雅可比矩陣、積分誤差等選項(xiàng)對求解都有影響。增大最大迭代次數(shù)、設(shè)置重新分解雅可比矩陣選項(xiàng)、減小積分誤差精度通常有助于求解收斂性,但積分誤差精度過低會影響求解的正確性。綜合考慮以上因素,在布放回收過程的模型仿真分析時(shí)選用GSTIFF積分器,設(shè)置重新分解雅可比矩陣選項(xiàng),選用較高的積分誤差精度。4浮運(yùn)纜繩的擺動對集礦機(jī)吊運(yùn)過程的影響在此模型的基礎(chǔ)上,對集礦機(jī)在船上的吊運(yùn)過程進(jìn)行了仿真。圖3是集礦機(jī)在船上的吊運(yùn)過程的片段。從計(jì)算機(jī)屏幕上可以直觀的看到吊運(yùn)過程以及吊運(yùn)過程中采礦船與集礦機(jī)的搖晃情況。為了研究采礦船的橫搖周期對擺角的影響,對船以不同的橫搖周期運(yùn)動時(shí)的布放過程進(jìn)行了仿真。通過比較仿真結(jié)果,可以得知,橫搖周期與縱搖和垂蕩周期相同時(shí),會發(fā)生共振,擺角較大。如果在采礦船的設(shè)計(jì)中適當(dāng)增大橫搖周期,可以減小設(shè)備在吊運(yùn)過程中擺動的幅度,還可使纜繩所受到的沖擊載荷減小。圖4反映了集礦機(jī)從存放艙吊出的過程中,采礦船的橫搖運(yùn)動周期對集礦機(jī)擺角的影響,總體看來,隨著船的運(yùn)動周期的增大,集礦機(jī)在吊運(yùn)過程中擺角逐漸減小。對集礦機(jī)在船上水平導(dǎo)軌上的運(yùn)輸過程進(jìn)行仿真,得到纜繩兩端點(diǎn)間的距離分別在三個(gè)坐標(biāo)軸方向的投影及其偏移角度(見圖5)?？梢钥闯?集礦機(jī)在X軸方向的最大偏移量超過1000mm,在Y軸方向的最大偏移量達(dá)到130mm,在Z軸方向的最大偏移量達(dá)到350mm,最大擺角達(dá)到15.9度。集礦機(jī)運(yùn)送到月池上方后,由于慣性作用,擺角會比輸送過程中增大。以上結(jié)果是在船的橫搖、縱搖的幅值都較小的情況下得到的。因此可以得知采礦船在海上的搖擺對采礦設(shè)備的吊運(yùn)影響是很大的。圖6為集礦機(jī)在船上的水平導(dǎo)軌上運(yùn)輸過程中,纜繩所受載荷的變化曲線?？梢钥闯?纜繩的拉力在32噸(集礦機(jī)的重量約為32噸)左右波動。在仿真初始階段,由于載荷沖擊作用,纜繩所受拉力較大。由此可知,通過step函數(shù)定義力來建立纜繩的模型是可行的。5仿真結(jié)果后處理運(yùn)用ADAMS軟