深海采矿长缆线布放系统内应力波的产生及传播特性研究
作者单位：上海交通大学
学位级别：硕士
导师姓名：杨建民
授予年度：2017年
学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学]
摘 要：随着世界经济的发展,人类对资源的需求也不断上升,由于陆上矿产资源逐渐被开发枯竭,世界各国均将目光转向了深海的高品位的丰富矿产资源,深海采矿系统因此成为了各国研究开发的重点。相比于常见的浅水布放系统,深海采矿系统的布放竖直距离更长;而相比常见的载人或无人深潜系统,深海采矿布放系统布放需要承受更大的载荷,所以深海采矿系统的布放过程受到了更大的挑战,对整个布放过程的安全性保障也因此成为了深海采矿系统开发的重要课题之一。当布放系统的位移比、阻尼比、应力波阻尼比和频率比处在一定的组合区域内,或者当系统遇到突发的风浪流及其它水动力作用时,布放系统可能产生大幅值的运动,甚至可能出现松弛和重新张紧的情况,从而导致大幅值的突加载荷的产生并以应力波的形式在系统内传播,危害系统的安全。因此对深海采矿长布放缆构成的布放系统内的突加载荷导致的大幅值高加载率应力的产生及其以应力波形式传播过程的特性对布放系统整体安全的保障具有重要意义,需要进行进一步的深入研究。本文主要采用理论模型分析计算与数值计算相结合的方法,对采矿系统的深海长布放缆重载布放系统内考虑应力波传播特性下的突加载荷的产生条件、应力波在布放缆中传播的频域特性、应力波传播的时域特性、应力波传播对布放系统内最大应力的影响以及不同长度和不同属性的布放缆对应力波传播特性的影响进行了深入研究分析。分别考虑与不考虑应力波传播对系统动力学的影响,对一维单自由度布放系统动力学方程进行数学建模分析,并对不同的无因次化位移比、阻尼比、应力波阻尼比和频率比下系统的运动幅值进行了数值计算,得到了相应的松弛-张紧临界曲线。当松弛张紧过程发生时,布放系统内会产生大幅值高加载率的突加载荷以应力波形式在布放系统中传播。研究发现,在不考虑应力波传播对系统的影响时,所有临界曲线均经过频率比为(?)/2、位移比为1的点。当频率比小于(?)/2时,临界位移比随着阻尼比的增大而增大;而当频率比大于(?)/2时,临界位移比随着阻尼比的增大而减小。当频率比小于1时,临界位移比随频率比增大而增大;在频率比为1处时临界位移比达到极值;在频率比小于1时,临界位移比随频率比的增大而减小。在相同的频率比下,布放系统可以通过增大其位移比的方法来使布放系统从不稳定可能产生松弛的区域进入稳定张紧的区域。当临界位移比大于1时,可以通过增大或减小频率比来使布放系统处在稳定张紧区域,然而当位移比小于1时,只能通过减小频率比的方法来使系统始终处在稳定张紧区域。在考虑应力波传播对系统的影响的情况下,有临界曲线不再都经过频率比为W/2、位移比为1的点。当应力波阻尼比较大时,位于频率比1附近的临界位移比最大值会消失,在此情况下临界位移比曲线会成为单调递增曲线,此时对于位移比大于1的系统,其在任何频率下均始终稳定张紧。将布放缆作为一维连续体,对其在三维空间中的运动进行建模,并应用哈密顿原理对其运动学和动力学方程进行非线性求解,并在此基础上对布放缆中传播的应力波的频域特性进行了分析与数值计算,得到了不同布放缆属性下应力波传播的极限频率曲线、频率关系曲线、色散曲线与群速度曲线。研究发现应力波的频率从频域上被两个截止频率与一个行波截止频率分成四个区域,按照它们所在频率,将它们从小到大排列分别为:行波抑止带、抑止带、行波抑止带与通频带。应力波传播时,绝对值较大的截止频率随着纵向张力的增加而降低,同时该截止频率随着与布放缆材料属性有关的cl的增大而增大;然而其与布放缆中横向张力的关系较为复杂,通常在纵向张力较大时,截止频率随着横向张力的增大而增大,但是在纵向张力较小时,截止频率随着横向张力的增大而减小。绝对值较小的截止频率并不是随着纵向张力的增加而单调降低,而是会出现一个区域极大值,该极大值出现时的纵向张力即为区分该系统的截止频率是否为纯实数的纵向张力临界值。如果系统的两个截止频率均为纯实数,则两个截止频率之间为抑止带;反之若该截止频率为复数,则该频段仍然为行波抑止带。在短波长-高频极限时,应力波行波的横波与纵波相速度均趋向于经典模型一维弹性半无限长介质中应力波传播的相速度,且均趋向于非色散系统。在通频带,应力纵波可以以行波形式传播,且在传播的过程中会以一定的衰减率逐渐衰减,该系统为色散系统。在行波抑止带,应力纵波不能以行波的形式向外传播。但是在应力突变源附近会产生两列不同波数的单向的近场衰减波。在抑止带,应力纵波不能以行波的形式向外传播。但是在应力突变源附近会产生双向的近场衰减波。应力横波始终能够以行波的形式向外传播,不存在抑止带。在考虑了布放缆弧度与该点弧长坐标之间的非线性关系的情况下,该系统为色散系统。应力横波与纵波的行波群速度在高频时趋向于它们的相速度。然而应力横波表现出了反常色散特性,因此高频项会在传播的过程中向波前锋聚集,从而形成强间断波,对布放系统造成危害。对布放缆
同方学位论文库