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深海采矿水力提升管多场多尺度耦合非线性振动特性

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振动与冲击 2023年第11期42卷 240-251页

作者：王普柽郭晓强柳军罗杰曾林林何玉发河北工业大学机械工程学院天津300401 电子科技大学先进毫米波技术研究院成都611700 西南石油大学机电工程学院成都610500 中海油研究总院有限责任公司天然气水合物国家重点实验室北京100028

针对深海水力采矿提升硬管流致振动失效问题,采用有限元法、Hamilton变分和虚功原理,建立了多场多尺度耦合作用下深海水力采矿提升硬管非线性振动模型,采用尾流振子模型模拟外部流体对大长径比提升硬管的非线性流体力,考虑了自身纵-横... 详细信息

针对深海水力采矿提升硬管流致振动失效问题,采用有限元法、Hamilton变分和虚功原理,建立了多场多尺度耦合作用下深海水力采矿提升硬管非线性振动模型,采用尾流振子模型模拟外部流体对大长径比提升硬管的非线性流体力,考虑了自身纵-横向耦合效应、外部海洋涡激效应以及内流流致振动效应。通过理论计算结果与模拟试验测量数据对比,验证了模型的有效性。研究表明,提升硬管在考虑纵横向耦合、涡激振动和大变形等非线性因素下,提升硬管的振动具有高度非线性特征。随着中间仓质量的增加,提升硬管的顺流向偏移量和均方根应力减小,横流向振动频带分布更广,其顶端受到的轴力更大。小周期、大幅值的波浪对提升硬管的振动、应力和顶端轴力影响颇为明显。

关键词：深海采矿纵横向耦合涡激振动大变形管柱力学

深海采矿水下中继站料仓防溢料结构数值计算与试验研究

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中国造船 2022年第1期63卷 28-38页

作者：曹阳关英杰杜新光吉成才上海市东方海事工程技术有限公司上海200011 中国船舶科学研究中心上海分部上海200011 长沙矿冶研究院有限责任公司深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室长沙410012 湖南大学机械与运载工程学院长沙410082

以深海采矿水下中继站料仓的溢料问题为研究对象,开展了料仓溢料数值计算分析。采用两相流模型计算比较不同防溢料结构的优劣,设计了相对应的料仓溢料试验系统并进行验证。数值计算和试验结果均表明,在料仓入料口处安装筒式阻尼装置对... 详细信息

以深海采矿水下中继站料仓的溢料问题为研究对象,开展了料仓溢料数值计算分析。采用两相流模型计算比较不同防溢料结构的优劣,设计了相对应的料仓溢料试验系统并进行验证。数值计算和试验结果均表明,在料仓入料口处安装筒式阻尼装置对降低溢料量有较好的效果,其研究成果对于类似工程的防溢料结构设计和研究有一定参考价值。

关键词：深海采矿料仓溢料数值计算模型试验

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深海采矿提升系统研究综述

机械工程学报 2021年第20期57卷 232-243页

作者：康娅娟刘少军佛山科学技术学院机电工程与自动化学院佛山528000 深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室长沙410083 中南大学深圳研究院深圳518000

将粗颗粒矿物从数千米的海底提升到水面是深海采矿需要解决的一个关键技术难题。以深海矿产的商业开采为背景,从技术原理的角度对当前几种典型的深海采矿提升系统进行研究,根据深海矿物商业开采的高产能高效率要求,从提升系统的工作机... 详细信息

将粗颗粒矿物从数千米的海底提升到水面是深海采矿需要解决的一个关键技术难题。以深海矿产的商业开采为背景,从技术原理的角度对当前几种典型的深海采矿提升系统进行研究,根据深海矿物商业开采的高产能高效率要求,从提升系统的工作机理、结构方案、输送能力、系统效率及实施可行性等方面进行剖析,结果表明,机械式提升系统能量利用率高,但存在作业过程中缆绳可能发生缠绕,实现商业开采产能尚有难度;气力提升系统结构简单,但系统效率低且需采用大直径的提升管道,会增加管道布放回收及整个采矿系统运行的成本和难度;综合对比各方面,对于高扬程大产能的深海矿物提升而言,离心泵水力管道提升是一种综合性较优的提升方案。

关键词：深海采矿机械提升系统气力提升系统水力提升系统离心泵

深海采矿输送软管受力特性影响因素敏感性分析

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中国造船 2020年第2期61卷 154-163页

作者：宋环峰杜新光王帅杜长远中国船舶科学研究中心上海分部上海200011 上海市东方海事工程技术有限公司上海200011

研究深海采矿作业过程中矿物输送软管受力特性影响因素的敏感性,能够厘清软管设计过程中各参数的主次关系,减少设计迭代工作量。论文以某深海采矿系统的矿物输送软管为研究对象,建立包括采矿船、输送硬管、中继站、输送软管和采矿车的... 详细信息

研究深海采矿作业过程中矿物输送软管受力特性影响因素的敏感性,能够厘清软管设计过程中各参数的主次关系,减少设计迭代工作量。论文以某深海采矿系统的矿物输送软管为研究对象,建立包括采矿船、输送硬管、中继站、输送软管和采矿车的全系统耦合分析模型,对软管运动响应和受力特性进行时域分析。研究当采矿车按指定路径运动时,软管曲率、等效应力以及采矿车受力大小、角度对流速、流向、浮力块间距、浮力块数量、浮力块位置和矿浆密度等参数的敏感性,为软管构型设计提供参考。

关键词：深海采矿软管构型浮力块布置参数敏感性

基于ABAQUS的深海采矿扬矿管纵向振动性能

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西南交通大学学报 2022年第4期57卷 821-829页

作者：宋庆辉肖林京姜海燕刘秀杰烟芳萍山东科技大学机械电子工程学院山东青岛266590 山东科技大学智能装备学院山东泰安271009

为了研究复杂阶梯状扬矿管在采矿船升沉运动和海流作用下的纵向振动特性,利用连续弹性杆振动理论,对5000 m长扬矿管纵向振动性能进行分析.首先,根据达朗贝尔原理建立扬矿管纵向振动数学模型,采用分离变量法推导管道固有频率方程;然后,... 详细信息

为了研究复杂阶梯状扬矿管在采矿船升沉运动和海流作用下的纵向振动特性,利用连续弹性杆振动理论,对5000 m长扬矿管纵向振动性能进行分析.首先,根据达朗贝尔原理建立扬矿管纵向振动数学模型,采用分离变量法推导管道固有频率方程;然后,进行振型的质量归一化处理;最后,利用ABAQUS软件建立扬矿管有限元模型,对管道的纵向动态响应进行研究.研究结果表明:扬矿管的一阶纵向共振频率处于矿区海浪能量集中的频带内,随着中间矿仓质量的增加扬矿管固有频率减小,中间矿仓质量对高阶固有频率的影响更加明显;随着海浪频率的增加,纵向振幅、轴向力和轴向应力先增大后减小,并在一阶固有频率时达到峰值,其峰值分别发生在扬矿管5000、0、1000 m处;随着采矿船升沉幅值的增加,扬矿管的动态响应逐渐增大,当升沉幅值大于1.5 m时,扬矿管动态响应的增长速度变缓;扬矿管发生一阶纵向共振时,振动位移和轴向力先增大后作等幅稳态振荡;随着海水深度的增加,沿管长方向的振动幅值逐渐增大,振动平衡位置发生下移,振动响应时间发生延迟,同时轴向力和轴向应力逐渐减小,且轴向应力在每两级阶梯管间急剧变大.

关键词：深海采矿扬矿管 ABAQUS 纵向振动特性共振响应

深海采矿车布放回收中脐带缆轴向张力响应特性研究

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海洋工程 2023年第5期41卷 128-138页

作者：杨祥云吕海宁杨建民孙鹏飞上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240

在深海采矿车布放回收中,准确预报脐带缆在底部自由悬垂边界条件和顶部波浪载荷随机激励等共同影响下的动力响应是关键点之一。基于三维势流理论与集中质量法,结合水面支持船运动和海流联合激励,对深海布放回收中脐带缆的顶端张力等力... 详细信息

在深海采矿车布放回收中,准确预报脐带缆在底部自由悬垂边界条件和顶部波浪载荷随机激励等共同影响下的动力响应是关键点之一。基于三维势流理论与集中质量法,结合水面支持船运动和海流联合激励,对深海布放回收中脐带缆的顶端张力等力学特性进行研究。结果表明:在布放回收过程中,轴向张力在结构载荷中占主要成分;由波浪引起的轴向张力极值与均值差距最大可达到54%;轴向张力的频谱存在双谱峰,分别为0.14 Hz的主峰和0.10 Hz的次峰;当浪向角为180°时,轴向张力处于峰谷。

关键词：海底采矿车脐带缆深海布放回收深海采矿势流理论轴向张力

深海采矿水力提升管多场耦合多重非线性振动模型及疲劳失效机理研究

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机械工程学报 2024年

作者：郭晓强吕俊霖梁豪李潇胡宁柳军郭守金江西铜业集团股份有限公司贵溪冶炼厂中海石油(中国)有限公司海南分公司西南石油大学机电工程学院河北工业大学机械工程学院

针对深海采矿水力提升硬管流致振动失效问题，采用有限元法和Hamilton变分原理，建立多场耦合作用下水力提升管多重非线性振动模型，不仅考虑海洋流场、立管应力场以及内部流场之间的多场耦合效应，还考虑立管纵横向耦合非线性、海流涡... 详细信息

针对深海采矿水力提升硬管流致振动失效问题，采用有限元法和Hamilton变分原理，建立多场耦合作用下水力提升管多重非线性振动模型，不仅考虑海洋流场、立管应力场以及内部流场之间的多场耦合效应，还考虑立管纵横向耦合非线性、海流涡激非线性以及内部流场的流致非线性因素，并实现数值求解。将理论模型计算结果与模拟试验测试结果对比，验证模型的正确性。同时，采用Corten-Dolan累积损伤理论，建立考虑载荷相互作用效应和剩余强度衰减退化的提升管非线性疲劳损伤预测方法。在此基础上，探究外流速、中间仓质量和内流速对提升管疲劳寿命的影响规律，研究发现，随着外流速的增加，提升管的疲劳寿命呈现先减小后增大的趋势，出现疲劳寿命最大的外流速。然而，现实中外流速无法控制，因此，根据一定的外流速，通过建立的分析方法来评估最佳结构参数设置。随着中间仓质量的增加，提升管的疲劳寿命呈现先减小后增大的趋势，现场存在一个最佳中间仓质量配置参数，该参数与提升管结构和内外流速有关，可通过所建立的疲劳预测方法确定。随着内部提升速度的增加，提升管的疲劳寿命呈现先增大后减小的趋势，最优的提升速度为4m/s。研究成果为深海采矿作业参数的设计奠定分析工具。

关键词：管柱力学深海采矿多场耦合多重非线性振动模型疲劳失效机理

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同方期刊数据库

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深海采矿细颗粒羽状流数值模拟研究

海洋工程 2023年第5期41卷 150-160页

作者：刘港慧刘磊上海交通大学三亚崖州湾深海科技研究院海南三亚572024 上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240

深海采矿尾矿排放产生的细颗粒羽状流会对海底生态环境造成影响,预测尾矿排放羽状流行为及其对环境影响具有工程意义。基于欧拉多相流方法,采用欧拉双流体模型对深海采矿细颗粒羽状流开展数值模拟研究,分析近海底排放的羽状流演化和发... 详细信息

深海采矿尾矿排放产生的细颗粒羽状流会对海底生态环境造成影响,预测尾矿排放羽状流行为及其对环境影响具有工程意义。基于欧拉多相流方法,采用欧拉双流体模型对深海采矿细颗粒羽状流开展数值模拟研究,分析近海底排放的羽状流演化和发展过程,探究羽状流初始排放质量浓度、排放速度对羽状流扩散过程的影响。结果表明:初始排放条件对羽状流演化性质有重要影响。主射流区被稀释的程度随着初始入射速度的增大而减小,随着入射质量浓度的增大而增大;初始羽状流入射速度和质量浓度越大,撞击海底后的水平方向流动速度越快,影响区域越广;水平速度的峰值随着初始入射速度的增大呈对数增长;当初始质量浓度和速度高于50 g/L和0.5 m/s时可能会导致颗粒在海底撞击点附近堆积成坡状,影响底流的后续发展。研究结果可以为深海采矿尾矿排放参数选择提供参考。

关键词：深海采矿细颗粒羽状流数值模拟多相流

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深海采矿系统分离式和组合式布放对比研究

海洋工程 2023年

作者：孙思宇梁旭吴延斌游鹏孔令澎浙江大学海洋学院中海油研究总院有限责任公司

深海大洋中蕴藏着丰富的矿产资源，如果能实现商业化开采将成为解决能源危机的潜在途径。对矿物进行开采的前提是将采矿设备安全、精准地布放在指定地点，目前提出分离式和组合式两种布放方案，但二者优劣还未可知。基于集中质量法分别... 详细信息

深海大洋中蕴藏着丰富的矿产资源，如果能实现商业化开采将成为解决能源危机的潜在途径。对矿物进行开采的前提是将采矿设备安全、精准地布放在指定地点，目前提出分离式和组合式两种布放方案，但二者优劣还未可知。基于集中质量法分别建立分离式和组合式深海采矿系统布放模型，根据矿物属性设置1 500、3 000和4 500 m水深三种工况，对两种布放方式进行对比研究，结果表明：1)分离式布放能更好地控制采矿设备位移精度，其中采矿车可平均提高9.92%，中继舱可平均提高11.38%，组合式扬矿管底端弯矩明显大于分离式，平均为分离式的3.5倍。若对布放精度要求较高可优先考虑分离式布放；2)分离式布放遭遇复杂海况时软管和布放缆易发生绞缠，最大绞缠力可达20.91 kN，可能引起管线磨损、破断，因此海况较为复杂时可优先考虑组合式布放。

关键词：深海采矿布放系统分离式组合式集中质量法