履帶式集礦機海底行走的單剛體建模研究與仿真分析.pdf

1、隨著陸地礦產(chǎn)資源的日益貧乏，海底豐富的礦產(chǎn)資源正成為世界各主要經(jīng)濟體爭奪的新焦點。對于正逐步崛起的世界新興經(jīng)濟體之一的中國來說，開發(fā)深海礦產(chǎn)資源正成為影響國家長遠發(fā)展的一項重大課題。
　　 論文以大洋多金屬結核開采及我國采礦系統(tǒng)技術方案為工程背景，提出并開發(fā)了海底履帶自行式集礦機單剛體行走快速仿真模型。根據(jù)采礦系統(tǒng)的整體運動與約束關系，通過與揚礦管線三維離散元模型相聯(lián)接，形成深海采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動快速仿真模型，實現(xiàn)大洋多金屬結核整

2、體聯(lián)動開采作業(yè)過程的快速仿真分析，為整體系統(tǒng)的聯(lián)動控制研究打下基礎，并為未來的采礦作業(yè)和海試提供理論分析與技術參考。論文的主要研究內容如下：
　　 1.開展了集礦機履帶與海底沉積物相互作用力學特性的試驗研究。以我國大洋多金屬結核合同區(qū)海底沉積物原位測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，選擇膨潤土與水按一定比例混合，配置出具有相似性與可比性的模擬沉積物。通過不同尺寸穿入平板的壓陷試驗，獲得基于Bekker公式的海底沉積物壓力一沉陷關系式及相應參數(shù)。通過

3、不同尺寸模擬履帶板的剪切試驗，獲得基于Wong公式的海底沉積物剪切應力一剪切位移關系式及相應參數(shù)。從而為集礦機海底行走仿真分析提供邊界加載條件。
　　 2.采用試驗獲得的海底沉積物力學特性關系式，依據(jù)我國1000m海試系統(tǒng)集礦機的主要設計參數(shù)，推導出集礦機海底行駛時，沉積物可提供給集礦機的總牽引力與集礦機打滑率之間的關系式。提出集礦機海底行駛時的最佳打滑率以及打滑率的控制范圍，為集礦機海底行走控制研究提供重要參考。
　　

4、 3.提出一種新的履帶車單剛體建模方法。相比于傳統(tǒng)的履帶車多剛體模型而言，單剛體模型僅有6個自由度，可實現(xiàn)履帶車的快速動力學仿真分析?？紤]到履帶接地段與地面相互作用的分布特性，建立基于網(wǎng)格單元的履帶車單剛體模型接地段力學模型，推導出描述各網(wǎng)格單元中心點處縱向與橫向動態(tài)剪切位移的常微分計算方程。利用動力學分析商業(yè)軟件ADAMS開發(fā)履帶車單剛體模型。相比履帶車多剛體分析商業(yè)軟件中提供的僅有的特定地面土壤力學模型而言，單剛體模型允許加載各種不

5、同類型的地面土壤力學模型。通過與當前最典型的履帶車多剛體計算軟件的若干算例比較分析發(fā)現(xiàn)，單剛體模型與多剛體模型的計算結果較為吻合，但單剛體模型的計算速度得到了較大提高，從而驗證了單剛體模型的合理性與高效性。
　　 4.進行了小型履帶車軟地面行走試驗研究，試驗結果與仿真結果較為吻合，從而進一步驗證了采用單剛體模型進行履帶車分析計算的合理性。
　　 5.建立了履帶式集礦機單剛體行走快速仿真模型，開展了海底多種行駛狀態(tài)下的動力

6、學分析。提出兩種新的集礦行走路徑方案，以滿足集礦機海底作業(yè)安全性、高效性與環(huán)保性的要求。對行走路徑進行分析計算，并通過對集礦機單剛體模型運動過程的控制，實現(xiàn)兩種新的采集路徑的仿真分析。
　　 6.將集礦機單剛體模型與管線系統(tǒng)離散元模型相聯(lián)接，組成深海采礦整體系統(tǒng)快速仿真模型。提出兩種可行的聯(lián)動開采作業(yè)方式，并通過詳細分析與設計，進行聯(lián)動作業(yè)過程的模擬研究。討論集礦機不同采集路徑下，整體系統(tǒng)的聯(lián)動動力學特性。在聯(lián)動過程中，各子系統(tǒng)