深海采矿系统扬矿子系统纵向振动被动减振研究.pdf

中图分类号 U D C 博士学位论文 学校代码 Q 主3 3 密级公珏 深海采矿系统扬矿子系统纵向振动被动减振研究 R e s e a r c hf o rP a s s i v eC o n t r o lf o rL o n g i t u d i n a l V i b r a t i o no f L i f t i n gP i p ei nD e e pS e aM i n i n gS y s t e m 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 邱显焱 机械设计及理论 机械动力学分析及 振动控制 机电工程学院 刘少军教授 论文答辩日期业』 答辩委员会主席 中南大学 2 01 4 年6 月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名啦 日期．丝年兰月芝日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名翼} 呈齿Q 日期烨年上月a 日 导师签名』蜉 日期醴年上月臣日 万方数据 深海采矿系统扬矿子系统纵向振动被动减振研究 摘要随着全球陆地资源的日趋紧张、世界经济和现代科技的飞速发 展，开发海洋矿产资源成为世界各国发展的战略目标，尤其对于正在 崛起的中华民族实现“中国梦”具有深远意义。 深海采矿系统包括采矿平台、扬矿子系统和集矿机等，其中，采 矿船、扬矿硬管、提升泵、中间舱和扬矿软管等是扬矿子系统的重要 组成部分。本文研究基于中国深海采矿1 0 0 0 m 海试系统，针对深海采 矿作业过程中采矿船升沉运动引起的扬矿子系统纵向动力响应问题， 提出了在泵和中间舱附加吸振器的方法减小纵向振幅，并运用 G a l e r k i n 理论详细推导分析了扬矿子系统在泵和中间舱附加吸振器 前后纵向动力性能的变化，利用B F G S 变尺度法首次研究了水中吸振 器的参数最优化问题。为了对计算机仿真结果进行验证，还建立了一 套附加吸振器扬矿子系统纵向减振模拟实验系统。本文研究内容为将 来深海采矿作业和海试提供了技术参考，也为加强采矿生产安全性提 出了一条新的途径。 论文的主要研究内容如下 1 ．针对中国大洋采矿海洋环境，研究了深海采矿系统所承受的 风、波、流等载荷，且研究了扬矿子系统在一定深度海水中的环境载 荷，详细推导了扬矿子系统的液动力载荷计算公式，并利用莫尔经验 公式得到了波浪中采矿船升沉运动的简谐运动方程。 2 ．对采矿船升沉运动下的扬矿子系统纵向振动进行了研究，构建 了相应的动力学方程，并应用G a l e r k i n 理论进行了求解，仿真分析 了不同海浪周期下扬矿子系统的纵向振幅和轴向应力在泵和中间舱 位置节点随海浪频率的变化规律。 3 ．针对采矿船升沉运动下的扬矿子系统纵向振动问题，提出了附 加吸振器的方法，运用G a l e r k i n 方法分别研究了在泵和中间舱等不 同部位附加吸振器时对于扬矿子系统的纵向振动位移和轴向力的影 响，仿真结果表明，在扬矿子系统上附加吸振器是一种减小纵向振幅 的简单可行且有效的方法，尤其在泵和中间舱部位均附加吸振器时抑 振效果进一步提升。 4 ．鉴于在扬矿子系统中附加吸振器的参数不同而引起纵向减振 万方数据 效果差异现象，深入分析了海水中单自由度主系统附加吸振器的两自 由度振动系统，运用罚函数法和B F G S 变尺度法推导了水中吸振器参 数最优化的目标函数和算法，首次得到水中吸振器参数最优化的六个 参数因子，而不是空气中的四个参数，丰富了吸振器参数最优化理论， 并为后继附加吸振器的扬矿硬管纵向减振模拟实验提供了吸振器设 计参数准备。 5 ．提出了附加吸振器的扬矿硬管纵向减振模拟实验具体设计方 案，其中，采矿船运动模拟装置采用了S t e w a r t 六自由度平台，吸振 器模拟装置采用了简单有效的典型V o i g t 式吸振器，即弹簧一阻尼一 质量子系统，在规格长宽高为2 ．6 m x2 ．6 m 3 m 的水池进行了多种 采矿船升沉周期的模拟实验，实验结果与仿真结果基本吻合，因此验 证了仿真结果的正确性，同时证明了扬矿子系统附加吸振器纵向减振 方法的有效性。 关键词深海采矿，扬矿子系统，升沉运动，吸振器，被动减振 分类号 I I l 万方数据 R e s e a r c hf o rP a s s i v eC o n t r o lf o rL o n g i t u d i n a lV i b r a t i o no f L i f t i n gP i p ei nD e e p S e aM i n i n gS y s t e m A b s t r a c t T h ec u r r e n ts i t u a t i o ni s g r o w i n gi n c r e a s i n g l yt h a tt e r r e s t r i a l r e s o u r c e s s h o r t a g e ，r a p i dd e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ． E x t r a c t i n gm a r i n er e s o u r c ei st h es t r a t e g i ct a r g e tf o ra l ln a t i o n a l i t i e s ，a n d i ti so ff a r - r e a c h i n gs i g n i f i c a n c ef o rt h ee m e r g i n gC h i n e s en a t i o n f u l f i l l i n g ‘‘C h i n aD r e a m ’e s p e c i a l l y ． T h ed e e p - o c e a nm i n i n gs y s t e mi n c l u d e st h em i n i n gp l a t f o r m ，t h e l i f t i n gp i p es u b s y s t e ma n dm i n e r a l s - c o l l e c t o r ．A n dt h em i n i n gs h i p ，t h e l i f t i n gs t e e lp i p e ，t h em i d d l e - m o d u l e ，t h el i f t i n gp u m p a n dl i f t i n gh o s ea r e t h ei m p o r t a n tp a r to ft h el i f t i n gs u b s y s t e m ．T h i sp a p e rd e a l sw i t ht h e h e a v i n g m o t i o no fm i n i n gs h i pa n dt h el o n g i t u d i n a lv i b r a t i o no fl i f t i n g s t e e lp i p eb a s e do n10 0 0 mt r i a ls y s t e mo fd e e p - o c e a nM i n i n g ．T h e m e t h o di sp r o v i d e dt h a ta p p l y i n gv i b r a t i o na b s o r b e r sa tt h ep o s i t i o no f p u m pa n dm i d d l e - m o d u l e ．T h i sp a p e rd e d u c e st h el o n g i t u d i n a lv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fl i f t i n gs u b s y s t e mb yG a l e r k i nT h e o r yw i t ho rw i t h o u t v i b r a t i o na b s o r b e r sa tp u m pa n dm i d d l e m o d u l e ．A n dv a r i a b l em e t r i c m e t h o do fB F G Si Su s e dt os o l v et h ep r o b l e mo fd e s i g no p t i m i z a t i o no f v i b r a t i o na b s o r b e r si nw a t e rf o rt h ef i r s tt i m e ．I no r d e rt ov e r i f yt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h em o d e le x p e r i m e n ts y s t e mo fr e d u c i n gl o n g i t u d i n a l v i b r a t i o nw i t hv i b r a t i o na b s o r b e rm e t h o di se s t a b l is h e d ．T h es t u d yo ft h i s p a p e rp r o v i d et e c h n i c a lr e f e r e n c e sf o rd e e p - o c e a nm i n i n ga n d t r i a l ，a n da n e wp r o p o s a lf o rs t r e n g t h e n i n gs a f e t yo fm i n i n g ． n em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ef o l l o w i n g 1 ．A c c o r d i n gt ot h ee n v i r o n m e n to fo c e a n i nC h i n e s em a r i n em i n i n g a r e a s ，t h ew i n d ，w a v ea n dc u r r e n ta c t i n go nt h ed e 印一o c e a nm i n i n g s y s t e ma r ea n a l y z e d ，e s p e c i a l l yf o rt h ee n v i r o n m e n tf o r c e so ft h el i f t i n g p i p es u b s y s t e mi nac e r t a i nd e p t hs e a ．A n d t h eh a r m o n i cm o t i o ne q u a t i o n o fm i n i n gs h i pi nw a v ei sd e d u c e dw i t he m p i r i c a le q u a t i o n so fM o o r ． 2 ．G a l e r k i nT h e o r yi sa d o p t e dt os t u d yt h el o n g i t u d i n a lv i b r a t i o no f 。。 s h i o 。tm o t i o n ．T h e 1‘ u a t i o n so fliffinmining s h l pm h e a v em o t i o nl i ed y n a m i ce q u a t l o n so In r t m gp i ‘p e● s u b s y s t e ma r ed e d u c e d ，a n ds i m u l a t e di nt h ed i f f e r e n ts e ac o n d i t i o n s ．n e I V 万方数据 v a r i a t i o nr u l eo fl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o na n da x i a ls t r e s si So b t a i n e da tt h e p o s i t i o no fp u m pa n dm i d d l e m o d u l ef o rl i f t i n gp i p es y s t e mw i t hw a v e f r e q u e n c y ． 3 ．T os o l v et h el o n g i t u d i n a lv i b r a t i o no fl i f t i n gp i p es u b s y s t e mf o r m i n i n gs h i p ，t h em e t h o do fa p p l y i n gv i b r a t i o na b s o r b e r si sp r o p o s e d ．T h e c h a n g e so fl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o na n da x i a l s t r e s sf o rt h el i f t i n gp i p e s u b s y s t e ma t t h ep o s i t i o no fp u m pa n dm i d d l e - m o d u l ew i t hG a l e r k i n T h e o r y ．n es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ev i b r a t i o n a b s o r b e r sm e t h o df o rr e d u c i n gt h el o n g i t u d i n a lv i b r a t i o n ，e s p e c i a l l y b e t t e rs u c c e s s f u lw i t ha l lv i b r a t i o na b s o r b e r sa tp o s i t i o no fp u m pa n d m i d d l e ．m o d u l e ． 4 ．D i f f e r e n te f f e c t so fr e d u c i n gt h el o n g i t u d i n a lv i b r a t i o na p p e a r w i t hd i f f e r e n t p a r a m e t e r s o fv i b r a t i o na b s o r b e r s ．T h e n a t w o - - d e g r e e - - o f - f r e e d o ms y s t e mc o m p o s e do fam a i nv i b r a t i o ns y s t e ma n d av i b r a t i o na b s o r b e ri nt h ew a t e rh a sb e e nc o n s i d e r e d ．1 1 1 eo p t i m a l c o n d i t i o nf o rv i b r a t i o na b s o r b e rh a sb e e nd e t e r m i n e dw i t hi n t e r i o r p e n a l t y f u n c t i o nm e t h o da n dv a r i a b l em e t r i cm e t h o do fB F G S ．T h e r e s u l t st h a ts i xp a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h eo p t i m a lc o n d i t i o no fv i b r a t i o n a b s o r b e ri nt h ew a t e ri n s t e a do ff o u rp a r a m e t e r si na i ra r eo b t a i n e df o rt h e f i r s tt i m e ．T h e s ec o n c l u s i o n se n r i c hc o n t e n to fo p t i m i z a t i o nt h e o r yf o r p a r a m e t e r so fv i b r a t i o na b s o r b e r , a n dh a v ep r e p a r e dd e s i g np a r a m e t e r s f o rt h em o d e le x p e r i m e n ts y s t e mo fr e d u c i n gl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o nw i t h v i b r a t i o na b s o r b e r s ． 5 ．T h es p e c i f i cd e s i g ns c h e m eo fm o d e le x p e r i m e n ts y s t e mf o r r e d u c i n gl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o nw i t hv i b r a t i o na b s o r b e ri sp r o p o s e d ．T 1 1 i s i n c l u d e s aS t e w a r t6 - D O Fp l a t f o r ms i m u l a t i n gt h em o t i o no fm i n i n gs h i p ， ac l a s s i cV o i g tt y p eo fs p r i n g d a m p i n gf o rv i b r a t i o na b s o r b e r , a n das i z e o ft h es t o r i n gr e s e r v o i rw i t h2 ．6 m x 2 ．6 m x 3 mf o re x p e r i m e n t s ．Al o to f m o d e le x p e r i m e n t sa r ed o n ew i t hs e v e r a lw a v ec y c l e s ．1 1 1 er e s u l t so f e x p e r i m e n t sd i s p l a yg o o dp e r f o r m a n c e w i t ht h es i m u l a t i o n ．T h e c o r r e c t n e s so fs i m u l a t i o nr e s u l t si sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t ．A n dt h a t s h o w e dt h ev i b r a t i o na b s o r b e rm e t h o di se f f i c i e n tf o rr e d u c i n gt h e l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o no fl i f t i n gp i p es u b s y s t e m ． K e y w o r d s d e e p o c e a nm i n i n g ，l i f t i n gp i p es u b s y s t e m ，h e a v em o t i o n ， V 万方数据 v i b r a t i o na b s o r b e r , p a s s i v ec o n t r o lf o rr e d u i n gv i b r a t i o n C l a s s i f i c a t i o n V I 万方数据 目录 1 绪{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题研究的背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 深海多金属结核采矿系统研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 深海采矿扬矿子系统研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 深海采矿系统纵向振动控制的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．5 吸振器技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 1 ．5 ．1 被动式吸振技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 1 ．5 ．2 半主动式和主动式吸振技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 1 ．5 ．3 深海采矿系统扬矿子系统的吸振器研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 1 ．6 深海多金属结核采矿1 0 0 0 m 海试系统及采矿船方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 1 ．6 ．1 我国深海多金属结核采矿区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 1 ．6 ．2 我国深海采矿1 0 0 0 m 海试系统总体方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 1 ．6 ．3 深海采矿10 0 0 m 海试系统采矿船方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 1 ．7 本文研究的主要内容与基本框架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 2 扬矿子系统纵向动力响应分析研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．1 深海采矿系统的环境载荷分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 2 ．1 ．1 风力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 3 2 ．1 ．2 波浪力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．1 ．3 海流力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 2 ．1 ．4 波流联合作用下液动力载荷分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 2 ．2 扬矿子系统液动力载荷分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 2 - 3 采矿船运动响应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 2 ．4 扬矿子系统纵向动力响应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 2 ．4 ．1 扬矿子系统纵向振动方程的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 2 ．4 ．2 基于G a l e r k i n 方法的纵向振动方程求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 2 ．5 扬矿子系统纵向振动仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 2 ．5 ．1 纵向振动响应仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 2 ．5 ．2 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 3 附加吸振器的扬矿子系统纵向振动响应分析研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 V Ⅱ 万方数据 3 ．1 吸振器工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 3 ．2 附加吸振器的扬矿子系统纵向振动分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 3 ．2 ．1 扬矿子系统的吸振器力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 3 ．2 ．2 泵附有吸振器的扬矿子系统纵向振动力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 3 ．2 ．3 泵附有吸振器时扬矿子系统纵向振动方程求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 3 ．2 ．4 中间舱附有吸振器的扬矿子系统纵向振动建模及求解⋯⋯⋯⋯⋯6 5 3 ．2 ．5 泵及中间舱均附有吸振器的扬矿子系统纵向振动力学建模⋯⋯⋯6 6 3 ．2 ．6 泵及中间舱均附有吸振器的扬矿子系统纵向振动方程求解⋯⋯⋯6 7 3 ．3 附加吸振器的扬矿子系统纵向振动仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 3 ．3 ．1 泵附有吸振器的扬矿子系统纵向振动仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 3 ．3 ．2 中间舱附有吸振器的扬矿子系统纵向振动仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 3 ．3 ．3 泵及中间舱均附有吸振器的扬矿子系统纵向振动仿真分析⋯⋯⋯7 8 3 ．4 关于附加吸振器参数中质量与弹簧刚度的分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 4 海水中单自由度主系统的吸振器参数最优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 5 4 ．1 海水中线性吸振器参数优化设计目标函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 4 ．2 海水中线性吸振器的参数最优化算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 7 4 ．3 线性吸振器参数最优化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 4 ．3 ．11 0 0 0 m 深海采矿扬矿子系统简化模型的吸振器参数最优化⋯⋯⋯．9 1 4 ．3 ．2 扬矿硬管模拟实验平台的吸振器参数最优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 5 5 附加吸振器的扬矿硬管纵向减振模拟实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 6 5 ．1 实验平台⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 6 5 ．1 ．1 采矿船运动模拟装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 7 5 ．1 ．2 扬矿硬管模拟装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 8 5 ．1 ．3 附加在扬矿硬管上的吸振器模拟装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 9 5 ．1 ．4 传感器及安装⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 0 5 ．1 ．5 实验水池的注水与排水⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 2 5 ．1 ．6 数据采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～10 3 5 ．2 附加吸振器的扬矿硬管模拟装置纵向减振实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 4 5 ．3 实验结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 5 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 9 6 全文总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 0 6 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 0 V I Ⅱ 万方数据 6 。2 工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 5 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 6 I X 万方数据 博士学位论文l 绪论 1 绪论 1 ．1 课题研究的背景和意义 一百多年前，英国“挑战者“ 号调查船在大洋进行环球考察，于1 8 7 3 年2 月在大西洋加拿利群岛西南3 0 0 k m 处的海底，采集到一种黑色的球状物一多 金属结核，从此揭开了人类认识大洋海底资源奥秘的序幕n ] 。随着全球经济和科 技的快速发展，地球陆地矿产资源的日趋紧张，以及世界各国国防尤其是海洋 权益斗争的不断加强，各国都在大力发展海洋科学技术，积极探测和开采矿产 资源尤其是稀缺金属，于是全球都将焦点集中在蕴藏着丰富金属资源的极地和 海洋，包括多金属结核、多金属硫化物和富钴结壳等深海矿产资源乜3 。近二十年 来，以美国为首的西方发达国家制定了以占有和开发国际海底资源问题为重要 组成部分的国家海洋战略，已经投入巨大财力和人力，对多金属结核调查、开 发的可行性进行研究。 深海矿产资源大多贮存在水深数千米的大洋海底，热液硫化物多贮存于 2 0 0 0 - 2 5 0 0 m 水深的海床，富钴结壳生长在水深2 0 0 0 - 4 0 0 0 m 水深的海山上，而多 金属结核贮存于水深5 0 0 0 - 6 0 0 0 m 的海底表面口1 。多金属结核又称锰结核，因最 常见的自然形态为结核状而得名H 1 ，其形状大小不一，还有圆形、椭圆形和不规 则状等形状。整个地球海底具有商业开发潜力的多金属结核高达1 1 0 u 吨，主 要集中在太平洋C C 区域、东南太平洋秘鲁海盆和北印度洋中心区域陌1 。深海勘 测表明，多金属结核在太平洋分布最广，储量最大，并呈带状分布，拥有东北 太平洋海盆，中太平洋海盆、南太平洋、东南太平洋海盆等4 个分区。据测算， 分布在太平洋的多金属结核储量达2 0 0 0 亿吨，相当于陆地上的5 7 倍嘲。 目前为止，美国、英国、俄罗斯、法国、日本、中国、国际海洋金属联合 组织、韩国等七国均已向联合国海底筹委会申请成为先驱投资者，并获批准。 除印度外的六国均在太平洋C - C 区申请登记，获批面积已达1 6 1 万平方1 4 1 公 里。而印度在印度洋海域申请的区块也获得联合国海底筹委会批准。1 9 9 1 年在 联合国登记注册为第5 个国际海底开发先驱投资者的中国，于1 9 9 9 年根据联 合国海洋法公约和国际海底管理局的有关规定，对所分配的太平洋中一块面 积1 5 万平方公里的开辟区进行调查研究后，只保留7 ．5 万平方公里区域，作 为我国拥有的专属勘探区。在今后商业开采时机成熟时，中国大洋协会享有对 这一区域开采多金属结核资源的优先权盯1 1 J 。 万方数据 博士学位论文1 绪论 我国大洋多金属结核开采系统研究开始于2 0 世纪8 0 年代，历经三十余年 努力已取得很大成就，尤其白1 9 9 0 年起，中国大洋协会组织集中国内采矿工程 和海洋工程的技术研究优势力量，启动了“大洋多金属结构矿产资源勘探与开 发技术”国家专项研究，资助国内相关科研院所和机构开始进行大洋多金属结 核开采技术研究和实验工作。经过深入了解和分析日本、美国和德国等国外深 海采矿技术的发展历史和现状后，确定了我国以采矿船、流体管道输送和自行 式集矿机为基础的深海多金属结核采矿方案口1 。 深海多金属结核采矿系统在复杂海洋环境下承受巨大载荷，其中水面支持 系统受到纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇和艏摇运动以及其耦合运动，对于附 着于水面支持平台的水下扬矿系统和海底集矿系统的可靠性产生重大影响，尤 其是海洋波浪运动所引起的升沉方向运动对于深海采矿系统作业的安全性和稳 定性影响显著。 本论文的工作来源于深海采矿技术研究项目“深海多金属结核开采虚拟现 实研究’’ D Y l 0 5 - 0 3 - 0 2 和“深海采矿虚拟现实研究平台结构及结核开采模拟研 究“ D Y X M - 1 1 5 - 0 4 - 0 2 - 0 1 。针对1 0 0 0 m 深海多金属结核采矿系统的采矿船升沉 运动引起的一系列可能出现的问题及相应解决措施和执行效果进行分析和模 拟，并通过模拟实验装置对理论方法和分析结果进行验证。本文研究内容主要 有采矿船升沉运动条件下扬矿子系统动力响应分析和附加吸振器的扬矿子系统 动力响应分析，具体包括采矿船在规则波升沉运动时扬矿子系统的动力响应、 附加吸振器的1 0 0 0 m 扬矿子系统纵向动力响应分析，海水中吸振器的参数最优 化设计和附加吸振器扬矿硬管纵向减振效果模拟实验研究等，为将来1 0 0 0 m ，甚 至5 0 0 0 m 的多金属结核实际开采系统的设计、建造与生产、降低开采风险提供 理论依据和技术储备。 1 ．2 深海多金属结核采矿系统研究现状 针对贮存于4 0 0 0 6 0 0 0 m 海底的深海多金属结核等大洋矿产资源的相关采矿 技术和装备设计的研究中，由于开采对象处于人迹罕见、地形不明和环境复杂 多变的深海海底，开采作业过程中还受到风、浪、流的作用以及腐蚀等影响， 深海采矿系统的运动具有很大的随机性。因此自二十世纪六十年代以来，日本、 德国和美国等西方发达国家相继投入大量的人力、物力和财力，进行深海采矿 技术的研究和开发，至七十年代末基本上奠定了深海采矿的技术基础。起初多 金属结核开采技术的研发借鉴了近海钻井采油作业的诸多成熟技术，如与钻井 平台相似的采矿船的设计和控制等n 刳。在过去三四十余年的研究和开发过程中， 万方数据 博士学位论文 1 绪论 一共出现过以下四种典型的多金属结核开采方案b 1 3 。18 1 ，分别是 1 拖斗式采矿系统n 刚 2 连续绳斗式 C L B 采矿系统 3 穿梭式采矿车系统 4 流体提升式采矿系统 它们的起源、原理、特点和缺点如表1 - 1 所示。其中，拖斗式采矿系统方法 因其原理简单，灵活性好以及系统间相互影响较小等特点，在停止研究多年以 后由韩国釜山大学2 0 0 4 年继续研制成集矿机加拖网的采矿提升系统心引，并应用 于海底锰结核的小规模开采。连续绳斗式 C L B 采矿系统系统因为具有对海底复 杂地形适应性差，铲斗动作和位置无法控制，以及采矿效率很低等缺点，于七 十年代末被彻底放弃。而穿梭式采矿车系统在停止研发多年以后，由我国上海 交通大学在2 0 0 6 年对其继续进行深入研究，成功研制出分散式深海局部试采系 统乜，可用于深海多金属结核局部开采。流体提升式采矿系统则是国际公认的 最有发展前途、最具有实用价值的深海采矿技术，成为目前深海资源采矿技术 研究的热点。 万方数据 博士学位论文 1 绪论 表1 1四种深海多金属结核开采方案对比 开采方案起源工作原理 特点缺点 拖斗式 采矿系统 美国采矿船上的铲斗自由原理简单，系统间可操作性差，采 落体至海底，让铲斗组成部分相互影集效率低，难以 在海底拖动，直到装响较小，灵活性好实现商业开采 满结核后再将它取回 连续绳斗式日本由一根缆绳连续联结 结构简单，成本低对海底的地形适 C L B 采矿系统许多挖斗，绳子在采应性差，铲斗无 矿船船首和船尾的卷法控制，采矿效 扬机上组成封闭环状率低 斗链，空斗从船尾下 放至海底，捞取矿石， 再从船头收上来 穿梭式采矿车 系统法国无人驾驶潜水采矿车灵活性好，设备独需要非常先进的 由质量很