毕业设计(论文)-深海采矿输运软管力学行为分析.doc
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1、 2015届毕业设计(论文)说明书 深海采矿输运软管力学行为分析 院 、 部: 机械工程学院 学生姓名: 指导教师1: 职称 指导教师2: 职称 专 业: 机械设计制造及其自动化 班 级: 机本1104 完成时间: 2015-5-28 摘 要 随着陆地资源的日渐枯竭,海洋矿藏已成为矿物开采的方向。海洋采矿的难度相对陆地采矿较大,把金属结核矿物输运到海面的技术是关键。国际上最公认的技术是利用管道流体提升,其中效率最高的是软管运输。输运软管的参数设计和材料选择是否合理,决定着整个采矿系统的性能是否优良。本文对输运软管进行力学分析,旨在为恰当确定软管的形状、尺寸和材料提供参考依据。本文针对海洋采矿作
2、业过程中输运软管进行了静力学分析,研究分析得出输运软管在深海采矿系统作业过程中受到了自身重力、内部流体重力、浮力体拉力、海洋阻力、海水浮力、集矿机的拖拽力的作用力。讨论这些变量因素为后文的模拟仿真提供了依据。在静力学分析的基础上,本文利用ANSYS软件建立输运软管和内部流体的有限元模型。在模拟仿真计算时通过改变输运软管参数弹性模量E、管外径大小D、内流速度v、内流密度V、内流的粘性系来研究输运软管的最大侧向位移m、最大主应力这个两大力学特性受这些因素的作用效果。通过静力学分析和模拟仿真为工程设计与实际应用提供了直观的参考结论。关键字:深海采矿、软管、静力学分析、力学特性。Abstract Wi
3、th the exhaustion of the land resources, Marine deposits have become the direction of the future mineral exploration. And the difficulty of the ocean mining are relatively than terrestrial mining is more difficult. Among them the metal TB mineral is the key to the sea. The most recognized internatio
4、nal technology is the use of pipeline fluid to ascend, one of the highest efficiency is the hose. Transport hose parameter design is reasonable, determines whether the whole system has good performance. And in this paper, the transport tube is analyzed with mechanics, and to determine appropriate ho
5、se provided a reference for the shape, size and material. Based on this background, the ocean mining operations in the process of stress is complex, through the reasonable simplification. First hose for the statics analysis, this paper studied and analyzed the transport hoses are in the process of d
6、eep sea mining system working load (from tension, Marine gravity, buoyancy body of hose, set mining machine the drag forces). Discuss these variable factors simulation provided the basis for later. On this basis, set up by use of ANSYS software, a transport hose and finite element model of the inter
7、nal fluid. In simulation calculation by changing the transport hose inherent parameters (elastic modulus E, tube diameter size), internal flow parameters (internal flow velocity v, internal flow density, the viscosity coefficient of internal flow) to study the transport hose mechanical characteristi
8、cs (the maximum lateral displacement, the maximum principal stress) by the effects of these factors.By statics analysis and simulation for the engineering design and practical application provides a visual reference conclusions.Keyword:deep-sea mining; hose;statics analysis ; mechanical characterist
9、ics 目 录1.绪论11.1 深海采矿输运软管力学行为分析的研究背景及意义11.2 深海采矿输运软管力学行为分析的研究现状21.2.1 国外输运软管的研究现状31.2.2 国内输运软管的研究现状31.3 本文的工作41.4 本章小结52.深海采矿输运软管静力学分析62.1 深海采矿系统组成62.2 输运软管静力学分析82.2.1浮力体对输运软管的作用力92.2.2 波浪和海流对和输运软管的作用力102.3 输运软管流固合动力学方程102.4 本章小结113.利用ANSYS Workbench 模拟仿真123.1 简介 ANSYS Workbench 软件123.2 建立输运软管有限元模型13
10、3.3 输运软管力学模拟仿真分析153.3.1 输运软管固有参数对输运硬管力学特性的影响163.3.2 输运软管最大主应力受弹性模量E变化的影响173.3.3 输运软管最大侧向位移受外径大小变化的影响173.3.4输运软管最大主应力受外径大小变化的影响183.3.5 输运软管最大侧向位移受内流速度变化的影响193.3.6 输运软管最大主应力受内流速度变化的影响213.3.7 输运软管最大侧向位移受内流密度变化的影响213.3.8 输运软管最大主应力受内流密度变化的影响22I3.3.9 内流的粘度系数对输运软管力学特性的影响233.3.10 输运软管最大主应力受内流粘度系数变化的影响243.4
11、本章小结254.总结与展望274.1全文总结274.2 展望284.2 自我总结28参考文献29致谢30附录31II1.绪论 1.1深海采矿软管力学行为分析的研究意义和背景随着陆地资源的日益匮乏,开发新的矿藏资源已成为未来的战略布局。而被探测出资源储备丰富的海洋,是解决未来资源问题的必经之路。美国政府组建了海洋矿产协会,协会做出决定将在1995年后斥巨资15亿美元作为研究开发海洋矿产资源的费用。预计每年可开采矿产资源干锰结核,同时提出方案在靠近海域的陆地建立一座日处理吨锰结核矿石的加工提炼工厂,地点最后确定确定在加利福尼亚州。日本国土面积狭小,矿产资源贫瘠。对于深海采矿技术的研究一直很重视。日
12、本政府早在1994年提出了开发计划,之后一直把深海结核矿石的开采作为矿产资源开采的重点。科学家预计,从1990年开始,随着开采技术的成熟,全球对大洋锰结核商业开发将从每年逐步达到吨的水平。到21世纪,深海采矿将成为未来矿物开采的主要来源和稳定来源。陆地矿物开采的比例也会逐年减少。据国际矿藏勘测科学家预计,深海多金属结核采矿工业将在未来10年内兴起,并逐步在矿产资源开采中占据越来越大的比例。我国海洋面积约为300万平方千米,就东太平洋矿区就有75000平方公里面积,勘测到的结核矿石的矿物丰富度仅有,但年产量能达到吨,可供连续开采年。所以对深海采矿技术的研究是当务之急,解决深海采矿中的问题是重中之
13、重。根据我国国际海底区域开发研究开发计划我国将在“十一五”期间进行大洋多金属结核开采海上实验。深海采矿技术是一门新兴产业,技术尚未成熟。在深海采矿中采集到的矿石输运到海面采矿船上的难度,要比陆地采集到的矿石输运到地表的难度较大。将海底采集的金属结核矿石输运到采矿船上的技术是采矿的关键技术。国际上公认的技术就是利用管道提升金属结核矿石。其工作原理是利用液体提升固体悬浮物的方式,也就是流体力学的范畴。工作过程是从采矿船上吊下输运管道到海底,海底的一端与集矿机相接,我们称这端为管道提升口。集矿装置可将采集到的矿石收集到管道提升口,再利用液流的提升作用(也有研究用气举或射流原理)将采集到的矿石通过管道
14、提升到地表。在采矿过程中,采矿船是允许有一定范围的机动性的,可纵向或横向移动。这样既满足了海底采矿的需求也满足海面运输矿物和补给的要求,使整个采矿过程更灵活可行。此采矿系统可适用于大规模、大面积的有效开采深海矿藏资源。在这一领域,最行之有效的提升就是采用水力输运矿石,该输运系统经济且效率高,具有很高的工业应用前景,其中普遍公认采用输运软管输送系统。在考虑安全与经济这双重要素,既保证安全工作的前提下,保障整个系统具有优良性能、合理选择材料、节省材料提高经济效益。就需要力学行为分析,研究构件在外力作用下的变形、受力与失效的规律,为合理设计构件提供基本理论,从而恰当地确定构件的形状和尺寸。1.2深海
15、采矿软管力学行为分析的研究现状1.2.1国外扬矿软管的分析现状 对于深海采矿技术的研究,发达国家起步较早,据考究关于深海采矿问题研究始于70年代。在输运软管的受力分析及仿真的研究,发达国家很早就开始。其中主要运用有限差分法、有限元法、集中质量法等方法进行研究。 等基于有限元法对软管进行了静力学分析,建立了三维平衡方程,并且采用修正的三维大位移有限元增量方法对平衡方程进行求解。 结合的研究工作,在不考虑软管的轴向和剪切作用的情况下,利用有限时间积分法分析了一端固定,一端自由下落的软管。 1.2.2国内大洋采矿系统中输运软管分析研究的现状 在1990年,中国才开始重视深海采矿问题的研究,并成立了中
16、国大洋协会。标志着中国开始涉足这一领域。于1991年确立发展规划,设计出了采矿子系统的雏形,并在室内完成了实验,对预先设计好的工作原理、结构功能、工作参数进行了验证。通过科研小组的努力,攻克了深海采矿最关键的问题技术与设备的研制。为2005年前后的海上中间试验做足了充分的准备,工业规模1/5-1/10。这次试验取得了丰硕的成果,为深海采矿技术储备了宝贵的经验。圆满完成了协会制定的大洋多金属结核资源研究开发第一期(1990-2005)发展规划目标,为后期奠定了坚实的基础。 但在之前的研究过程中一直忽略了对采矿系统中输运问题的研究,直到1998年才开始重视对于输运软管的受力分析。国内主要研究方法是
17、有限元法来。将柔性管简化为“梁”或“绳”单元,利用非线性方法对软管的进行力学分析。基于梁单元理论采用有限元法,采用时间积分法对建立的软管三维动力学方程进行了求解,并编写了计算机仿真应用软件。等采用“梁”单元建立基本模型,运用U. L.法(修正的拉格朗日法)分析了输送软管的构形和集矿机端约束反力,编写了逐步加载有限元计算程序,对多种情况进行了计算分析。(1)输运软管管线静力分析程序FLEXAN 在考虑了软管的抗扭转及抗剪切能力以及软管的抗拉、抗弯能力下为了更符合实际,通过简化,程序中把深海采矿系统中的软管管线用“梁”模型来处理。 在研究中最困难的问题在于软管变形中的大变形,对于大变形问题仅凭静力
18、学分析是不够的,而且大变形对软管的影响是不可忽略,考虑到这两点,建立的模型是属于非线性的大变形空间梁模型。(2)通过逐步修正加载法求解非线性大变形问题a.加载方式 对于小变形,就是假设可变形的构件在受力的情况下变形很小,可以忽略不计,约束反力和内力可用外力作用在对应的刚体上产生的约束反力和内力来替代,也就是故简化为外力与结构变形后的内力在未变形的结构上平衡。但对于大变形问题,是不能够忽略变形后的结构的形状的影响的,而受外力变形后的形状又是无法提前获得的一个变量,因此完全当小变形处理是不科学的。但这个变量可以通过逐步计算来获得的。 为了解决大变形问题,通过按比例逐步加载的方式。细分成一个个的小变
19、形问题,再把每次分步按比例加载的载荷累加起来。每次结构都是在之前变形的基础上,每次新家上去的载荷都当成小变形,这样我们可以找到一定的规律,去描述整个大变形过程,从而确定结构在完全加载后的变形和内力。但在深海采矿受力复杂的情况下,作出猜想假设。假设1:假如实际上这些荷载有时间差别的加载的,则应以载荷实际加载的先后按顺序加载到结构上去。假设2:假如作用在荷结构上的载荷是同时加载的,那么现在最普遍的分析处理方式就是按比例加载,即逐步修正加载去解决。b.大变形问题分析的方法关大变形问题的分析方法目前最普遍的主要有以下两种:第一种称为整体拉格朗日法(法):第二种称为修正的拉格朗日法(法)。法是通过定义变
20、量变形、应力、应变等进而去寻找表达平衡、连续关系式。其中在所有加载步骤中参考构型都是取结构初四时刻。 而U.法异于上述T.L法。不同点在于每步加载后的计算都是在上一步的构型上求得的,以此类推上一步的构型都是已经求得的。因此,在连续加载的步骤过程中,每一步的参考构型总是在不断地被修正。于 .法正好解决了深海采矿系统输运管线静力分析程序的求解大变形问题。1.3本文的工作 本文的研究工作主要有以下两个部分:一是介绍采矿系统的组成,与输运软管在深海采矿作业环境下软管的静力学分析。二是建立模型,利用工程软件ANSYS Workbench进行有限元分析,模拟仿真分析软管的各个参数之间的相互影响。在进行仿真
21、计算时通过改变输运软管的固有参数(弹性模量、管外径大小),内流参数(内流速度v、内流密度、内流粘度系数)来研究输运软管力学特性(最大侧向位移、最大主应力)受这些因素的作用效果。 在我们研究的问题中,期望达到最小值的目标有:软管上端受中继舱的约束反力,软管下端受集矿机的约束反力以及软管弯曲的曲率。影响这些目标的设计参数有:软管刚度,长度,浮力块的位置及所提供的浮力的大小。通过静力学分析和模拟仿真为工程设计与实际应用提供了直观的参考结论。 1.4本章小结 本章主要阐述论文的工程背景,即我国深海采矿的研究意义是未来高新技术产业,是未来矿藏资源开采的方向 。然后阐述了国内外在此领域的研究现状,国内在深
22、海采矿领域研究起步较晚 ,总体落后于国外。进一步提出了本文的研究内容及任务。2.深海采矿输运软管力学行为分析研究2.1深海采矿系统的组成 随着对深海采矿技术的深入研究,研究发现采用流体提升采矿系统是最具有实用价值的。其工作原理是借助流体提升,通过管道将海底集矿装置收集到的矿石输运到海面。此采矿系统可装备智能化的装置如自行式远程控制集矿机,可通过远程控制进行海底采矿作业。采矿船在海面也可进行一定的纵向或横向运动。这样集矿机就可以避开海底障碍与不利地形。整个采矿系统就具有较好的灵活性和实用性。能够大规模、高效率的开采,满足工业应用的需求。我国工业开采时的采矿系统如图1所示,它由自行集矿机、扬矿子系
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