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深海采矿升沉补偿模拟试验平台研究

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21世纪是“海洋世纪”,是人类全面认识、开发利用和保护海洋的新世纪。我国矿产资源所面临的严峻形势要求我们需要大力发展深海矿产资源开采技术。为了保证深海采矿作业安全,深海采矿升沉补偿系统是必不可少的装备。本文首先介绍了国内外升沉补偿相关技术,以及深海采矿技术的发展现状。根据我国矿区的海洋波浪特性,深海采矿船的波浪响应,以及升沉补偿系统的负载情况,提出了合适的升沉补偿系统。系统采用万向架轴承系统补偿采矿船的纵摇和横摇运动,采用液压油缸系统补偿升沉运动。 深海采矿升沉补偿系统是一个承受重载、结构复杂、技术难度大的大型设备,该技术研究在初级阶段难以进行海试,因此通过试验研究其性能是必要的。本文基于相似原理,提出了适合升沉补偿系统的相似准则。在符合相似准则以及满足试验系统功能要求的前提下,本文设计了升沉补偿试验系统。试验系统主要包括船舶模拟器运动平台、纵横摇补偿万向架系统、升沉补偿液压缸系统、扬矿管线模拟系统等。 本文应用刚体一般运动原理,进行了试验系统的运动学和动力学分析,得到了试验系统六自由度平台的运动规律。在此基础上,分析万向架系统外环、内环以及轴承的受力情况。根据相关结构设计强度理论,设计了外环、内环结构。本文应用专业有限元分析软件,对万向架外环和内环进行了有限元分析,优化了系统结构。 本文应用虚拟样机技术,对深海采矿升沉补偿系统进行了设计研究。在机械系统动力学分析软件ADAMS中建立了试验系统的模型,对模型加载了摩擦、水动力以及运动参数,研究了试验系统的运动学和动力学性能。研究结果表明,采用万向架轴承系统进行纵摇和横摇运动补偿,得到了良好的补偿效果,补偿率可达到98%。同时,通过仿真分析,也为升沉运动补偿装置提供了设计参数。 在本文的最后,设计制造了一套简易万向架外环的相似模型及其测试装置。通过实验数据与有限元分析数据的对比,验证了第四章所采用的有限元分析方法的正确性。
 

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