摘要
深海采矿系统除了工作环境复杂以外，系统在结构上的几何特征及其变化也显著影响系统的可靠性。其中扬矿软管为连接中继舱和集矿机的纽带，其主要任务是输送集矿机采集的矿产资源至中继舱。多金属结核的赋存空间状态决定了深海采矿系统在作业过程中将面临着：扬矿硬管自身极大的长径比和超长几何特征所带来的动力稳定性问题、输送软管长度和构形随作业范围的改变所引起的动力学响应变化等。这些由系统结构几何特征及其变化所引发的动力学响应的变化对系统可靠性评估带来了新的问题。因此有必要较为全面地开展深海采矿系统的几何特征与动力学行为相关性的基础研究，它可以为准确确定系统结构上的几何设计要素，以及为系统结构上的几何特征发生改变后提供准确的评估，以保证系统的可靠性。 集矿机在海底作业时，软管长度决定其作业范围，同时在作业过程中不同位置形成的几何空间构形是矿浆安全输送到中继舱的前提，良好的几何空间构形和合理的作业范围对采矿系统的安全性和稳定性有重要影响。 本文研究对象为1000水深处的100米长的扬矿输送软管，建立在内外流共同作用下的软管的流固耦合动力学模型，针对不同几何位置单拱构形软管模态和瞬态动力学普适特征进行分析。主要研究结果如下： 不同几何位置软管模态分析表明：（1）集矿机在远离中继舱作业过程中，其固有频率呈缓慢增加的趋势，作业范围越广，扬矿软管弯曲曲率半径越大，其固有频率越大。（2）集矿机在远离中继舱作业过程中，其振幅呈缓慢减小的趋势，集矿机越靠近中继舱，其振幅越大。（3）集矿机在作业过程中形成的不同几何位置软管振型特征基本一致，输送软管振型特征与集矿机作业范围大小无关。 不同几何位置软管瞬态动力学分析表明：（1）集矿机离开中继舱作业过程中，离开中继舱越远，作业软管弯曲曲率半径增加，软管振动位移增加，且增加趋势加大。因此应该严格控制集矿机的作业范围，避免出现软管触碰海底或海床，影响系统安全和稳定。（2）当洋流方向与软管平面成0度和180度角（顺流和逆流）时，应力应变状态变化可以忽略不计，但将影响软管的振动位移，尤其是竖直方向。（3）当洋流方向与软管平面成一定角度时，扬矿软管振动剧烈，应力和应变状态发生明显变化，将影响到系统安全，扬矿系统设计时洋流方向这一因素不可忽略。
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