深害采矿力学行为分析

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。AbstractWiththeexhaustionofthelandresources,Marinedepositshavebecomethedirectionofthefuturemineralexploration.Andthedifficultyoftheoceanminingarerelativelythanterrestrialminingismoredifficult.AmongthemthemetalTBmineralisthekeytothesea.Themostrecognizedinternationaltechnologyistheuseofpipelinefluidtoascend,oneofthehighestefficiencyisthehose.Transporthoseparameterdesignisreasonable,determineswhetherthewholesystemhasgoodperformance.Andinthispaper,thetransporttubeisanalyzedwithmechanics,andtodetermineappropriatehoseprovidedareferencefortheshape,sizeandmaterial.Basedonthisbackground,theoceanminingoperationsintheprocessofstressiscomplex,throughthereasonablesimplification.Firsthoseforthestaticsanalysis,thispaperstudiedandanalyzedthetransporthosesareintheprocessofdeepseaminingsystemworkingload(fromtension,Marinegravity,buoyancybodyofhose,setminingmachinethedragforces).Discussthesevariablefactorssimulationprovidedthebasisforlater.Onthisbasis,setupbyuseofANSYSsoftware,atransporthoseandfiniteelementmodeloftheinternalfluid.Insimulationcalculationbychangingthetransporthoseinherentparameters(elasticmodulusE,tubediametersize),internalflowparameters(internalflowvelocityv,internalflowdensity,theviscositycoefficientofinternalflow)tostudythetransporthosemechanicalcharacteristics(themaximumlateraldisplacement,themaximumprincipalstress)bytheeffectsofthesefactors.Bystaticsanalysisandsimulationfortheengineeringdesignandpracticalapplicationprovidesavisualreferenceconclusions.Keyword:deep-seamining;hose;staticsanalysis;mechanicalcharacteristicsI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ANSYSWorkbench模拟仿真....................................123.1简介ANSYSWorkbench软件..................................123.2建立输运软管有限元模型.....................................133.3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................22II3.3.9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...............................................................3111.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吨吨66102~101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7105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吨吨66104~101逐步达到7101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2/6mkg，但年产量能达到6103吨，可供连续开采30~20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