深海采矿扬矿管线系统流固耦合力学行为及快速分析方法研究

深海采矿扬矿管线系统的力学行为对采矿系统的整体联动性能影响巨大，不仅影响系统的工作效率，而且影响系统的生存能力。本项目的申请将详细研究扬矿硬管、软管受力状况以及管内矿浆的流动特性，分别建立扬矿硬管与内部流体的三维流固耦合模型、扬矿软管与内部流体的三维流固耦合模型，开展扬矿管线流固耦合力学行为研究，深入分析扬矿管道内部流对系统动力学特性的影响，以改进申请者已实现的多刚体离散元建模方法，形成考虑管线内部流体的管线系统三维快速动力学分析方法。一方面改善了计算效率，便于将来向实时计算分析的方向发展，为深海采矿系统动力学性能实时分析和监测开辟了一条可行的途径；同时可为扬矿系统设计及深海开采作业控制提供更全面、更准确的理论分析依据及优化方案，即达到又快又准进行扬矿管线系统动力学分析的目的。

深海采矿系统的扬矿管线长达数千米，扬矿管线系统的力学行为是深海采矿系统总体设计、各子系统结构设计与强度分析、系统开采作业过程控制等的主要依据，扬矿管线系统的运动和力学分析从深海开采技术一开始就很受重视。本项目针对深海采矿扬矿管线系统流固耦合力学行为及快速分析方法开展研究，取得多方面进展：.1. 分析了扬矿管线外部海洋环境载荷、外部海流以及管内矿浆的流动特性，利用有限元软件ANSYS Workbench软件，分别建立了扬矿硬管、软管与内部流体和外部海流的三维流固耦合模型。研究在各种影响因素作用下扬矿管线的流固耦合力学行为特性，深入分析扬矿管线内外部流体对系统动力学特性的影响。.2. 在深入分析扬矿管线内外部流体对系统动力学特性影响的基础上，研究改进申请者已实现的扬矿硬管、软管多刚体离散元建模方法，创建考虑管线内外部流体的管线系统多刚体离散元虚拟样机模型，仿真研究了集矿机与采矿船联动的典型工况及各种海况对系统动力学特性影响。形成了一套基于多刚体离散元的考虑管线内外部流体的管线系统三维快速动力学分析方法，便于将来向实时计算分析的方向发展，为深海采矿系统动力学性能实时分析和监测开辟了一条可行的途径。.3.根据海洋环境数据、深海采矿系统原始设计方案、采矿作业方案，利用考虑管线内外部流体的管线系统三维快速动力学分析方法，基于大型商业动力学仿真分析软件ADAMS，对其进行了二次开发，建立深海采矿扬矿管线系统优化设计平台，可以实现对深海采矿扬矿管线系统的自动建模、分析、优化与修改模型的目的。.4. 设计并实施了若干验证性实验，包括深海采矿扬矿硬管振动频率验证实验和扬矿管线空间构型实验。