深海扬矿系统的柔性多体系统动力学仿真

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陈宇翔１，２，阳一宁１，金一星１

（１．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，湖南长沙４１００１２；２．中南大学机电工程学院，湖南长沙４１００８３）

摘一要：为研究深海扬矿系统动力学特征，开展了扬矿系统柔性多体系统动力学仿真研究三基于柔性多体系统动力学理论，提出了深海扬矿管道柔性多体建模方法三对经典的梁受迫振动问题进行了动力学仿真并与解析解进行了对比，验证了方法的正确性三针对实验室模拟系统建立了深海扬矿系统柔性多体系统动力学模型并进行了动力学仿真研究，结果表明管道形态二应力等仿真结果与实验结果符合较好三本研究可为深海扬矿系统动力学研究提供参考和依据三关键词：深海采矿；扬矿系统；柔性多体系统；仿真中图分类号：ＴＰ３９１．９

文献标识码：Ａ

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１４．０５．００２

文章编号：０２５３－６０９９（２０１４）０５－０００６－０４

ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＦｌｅｘｉｂｌｅＭｕｌｔｉｂｏｄｙＤｙｎａｍｉｃｓｆｏｒＤｅｅｐ?ＳｅａＬｉｆｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ

ＣＨＥＮＹｕ?ｘｉａｎｇ１，２，ＹＡＮＧＮｉｎｇ１，ＪＩＮＸｉｎｇ１

（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎａｎｄＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＤｅｅｐＳｅａＭｉｎｅｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，ＣｈａｎｇｓｈａＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＣｏＬｔｄ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００１２，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，

ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８３，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｔｈｅｌｉｆｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｎｄｅｅｐ?ｓｅａｍｉｎｉｎｇ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｅｘｉｂｌｅｍｕｌｔｉｂｏｄｙｄｙｎａｍｉｃｓ（ＭＦＢＤ）ｆｏｒｔｈｅｄｅｅｐ?ｓｅａｌｉｆｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｄｙｎａｍｉｃｓｔｈｅｏｒｙｏｆｆｌｅｘｉｂｌｅｍｕｌｔｉｂｏｄｙｓｙｓｔｅｍ，ａｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｍｕｌｔｉｂｏｄｙｉｎｔｈｅｄｅｅｐ?ｓｅａｌｉｆｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆａｂｅａｍｕｎｄｅｒｆｏｒｃｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈａｎａｌｙｔｉｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，ｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｉｓｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｌａｂｏｒａｔｏｒｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｗａｓｃｒｅａｔｅｄｆｏｒｆｌｅｘｉｂｌｅｍｕｌｔｉｂｏｄｙｉｎｄｅｅｐ?ｓｅａｌｉｆｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｔｕｄｙｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｅｓｓｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｓｗｅｒｅａｌｌｉｎｇｏｏｄａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｉｔｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｄｅｅｐ?ｓｅａｌｉｆｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ?ｓｅａｍｉｎｉｎｇ；ｌｉｆｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｆｌｅｘｉｂｌｅｍｕｌｔｉｂｏｄｙｓｙｓｔｅｍ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ一一深海采矿系统［１］由采矿船二扬矿管道系统（包括硬管二中间舱二软管）和集矿机组成三深海扬矿管道几何尺度很大，整个管道从海底穿过几千米深海水到海面，处于极为复杂的工作环境下，而且硬管二中间仓和软管等组成部分的刚度差别较大三在采矿作业过程中扬矿管道不仅受到来自海面采矿船和海底集矿机作业运动的约束影响，还受内外动力载荷的作用，管道系统动力学特性不仅关系到深海管道结构的安全，也会直接影响到采矿系统的开采效率，因此成为深海采矿系统总体设计二各子系统结构设计与强度分析二系统开采作业过程控制等的主要依据三正因为此，国内外开展了大量深海扬矿管道系统动力学研究三目前，扬矿管

道系统动力学研究方法主要有３类：有限元法［２－３］二集中质量?弹簧方法［４－５］二多刚体离散元法［６－７］三有限元法可以灵活地对各种扬矿管线系统建模，并较充分地考虑了扬矿系统复杂的动力学特性，但由于深海采矿管线系统的大位移二大转动的几何非线性特性，采用有限元法进行动力学分析时，在计算收敛方面有时存在一定难度；采用集中质量?弹簧方法和基于多刚体系统动力学理论的离散元方法在进行管线动力学计算时在收敛性特别是计算速度方面远优于有限元法，但难以精确地模拟管线的材料特性以及描述柔性软管的一些动力学特性三目前，多刚体系统建模理论二动力学研究已经非常成熟，而柔性多体系统成为多体动力学新的

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收稿日期：２０１４－０４－１６

基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）项目（２０１２ＡＡ０９１２０１）

作者简介：陈宇翔（１９８５－），男，湖南湘潭人，博士（后），工程师，主要研究领域为深海采矿系统动力学三

第３４卷第５期２０１４年１０月

矿一冶一工一程

ＭＩＮＩＮＧＡＮＤＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

Ｖｏｌ．３４?５Ｏｃｔｏｂｅｒ２０１４