毕业设计（论文）-深海采矿输运软管力学行为分析.doc

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1、 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

2、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。Abstract Wi

3、th the exhaustion of the land resources, Marine deposits have become the direction of the future mineral exploration. And the difficulty of the ocean mining are relatively than terrestrial mining is more difficult. Among them the metal TB mineral is the key to the sea. The most recognized internatio

4、nal technology is the use of pipeline fluid to ascend, one of the highest efficiency is the hose. Transport hose parameter design is reasonable, determines whether the whole system has good performance. And in this paper, the transport tube is analyzed with mechanics, and to determine appropriate ho

5、se provided a reference for the shape, size and material. Based on this background, the ocean mining operations in the process of stress is complex, through the reasonable simplification. First hose for the statics analysis, this paper studied and analyzed the transport hoses are in the process of d

6、eep sea mining system working load (from tension, Marine gravity, buoyancy body of hose, set mining machine the drag forces). Discuss these variable factors simulation provided the basis for later. On this basis, set up by use of ANSYS software, a transport hose and finite element model of the inter

7、nal fluid. In simulation calculation by changing the transport hose inherent parameters (elastic modulus E, tube diameter size), internal flow parameters (internal flow velocity v, internal flow density, the viscosity coefficient of internal flow) to study the transport hose mechanical characteristi

8、cs (the maximum lateral displacement, the maximum principal stress) by the effects of these factors.By statics analysis and simulation for the engineering design and practical application provides a visual reference conclusions.Keyword:deep-sea mining; hose;statics analysis ; mechanical characterist

9、ics 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ANSYS Workbench 模拟仿真123.1 简介 ANSYS Workbench 软件123.2 建立输运软管有限元模型13

10、3.3 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22I3.3.9 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

11、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31II1.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

12、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逐步达到吨的水平。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，但年产量能达到吨，可供连续开采年。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

13、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

14、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、大面积的有效开采深海矿藏资源。在这一领域，最行之有效的提升就是采用水力输运矿石，该输运系统经济且效率高，具有很高的工业应用前景，其中普遍公认采用输运软管输送系统。在考虑安全与经济这双重要素，既保证安全工作的前提下，保障整个系统具有优良性能、合理选择材料、节省材料提高经济效益。就需要力学行为分析，研究构件在外力作用下的变形、受力与失效的规律，为合理设计构件提供基本理论，从而恰当地确定构件的形状和尺寸。1.2深海

15、采矿软管力学行为分析的研究现状1.2.1国外扬矿软管的分析现状 对于深海采矿技术的研究，发达国家起步较早，据考究关于深海采矿问题研究始于70年代。在输运软管的受力分析及仿真的研究，发达国家很早就开始。其中主要运用有限差分法、有限元法、集中质量法等方法进行研究。 等基于有限元法对软管进行了静力学分析，建立了三维平衡方程，并且采用修正的三维大位移有限元增量方法对平衡方程进行求解。 结合的研究工作，在不考虑软管的轴向和剪切作用的情况下，利用有限时间积分法分析了一端固定，一端自由下落的软管。 1.2.2国内大洋采矿系统中输运软管分析研究的现状 在1990年，中国才开始重视深海采矿问题的研究，并成立了中

16、国大洋协会。标志着中国开始涉足这一领域。于1991年确立发展规划，设计出了采矿子系统的雏形，并在室内完成了实验，对预先设计好的工作原理、结构功能、工作参数进行了验证。通过科研小组的努力，攻克了深海采矿最关键的问题技术与设备的研制。为2005年前后的海上中间试验做足了充分的准备，工业规模1/5-1/10。这次试验取得了丰硕的成果，为深海采矿技术储备了宝贵的经验。圆满完成了协会制定的大洋多金属结核资源研究开发第一期（1990-2005）发展规划目标，为后期奠定了坚实的基础。 但在之前的研究过程中一直忽略了对采矿系统中输运问题的研究，直到1998年才开始重视对于输运软管的受力分析。国内主要研究方法是

17、有限元法来。将柔性管简化为“梁”或“绳”单元，利用非线性方法对软管的进行力学分析。基于梁单元理论采用有限元法，采用时间积分法对建立的软管三维动力学方程进行了求解，并编写了计算机仿真应用软件。等采用“梁”单元建立基本模型，运用U. L.法(修正的拉格朗日法)分析了输送软管的构形和集矿机端约束反力，编写了逐步加载有限元计算程序，对多种情况进行了计算分析。（1）输运软管管线静力分析程序FLEXAN 在考虑了软管的抗扭转及抗剪切能力以及软管的抗拉、抗弯能力下为了更符合实际，通过简化，程序中把深海采矿系统中的软管管线用“梁”模型来处理。 在研究中最困难的问题在于软管变形中的大变形，对于大变形问题仅凭静力

18、学分析是不够的，而且大变形对软管的影响是不可忽略，考虑到这两点，建立的模型是属于非线性的大变形空间梁模型。（2）通过逐步修正加载法求解非线性大变形问题a.加载方式 对于小变形，就是假设可变形的构件在受力的情况下变形很小，可以忽略不计，约束反力和内力可用外力作用在对应的刚体上产生的约束反力和内力来替代，也就是故简化为外力与结构变形后的内力在未变形的结构上平衡。但对于大变形问题，是不能够忽略变形后的结构的形状的影响的，而受外力变形后的形状又是无法提前获得的一个变量，因此完全当小变形处理是不科学的。但这个变量可以通过逐步计算来获得的。 为了解决大变形问题，通过按比例逐步加载的方式。细分成一个个的小变

19、形问题，再把每次分步按比例加载的载荷累加起来。每次结构都是在之前变形的基础上，每次新家上去的载荷都当成小变形，这样我们可以找到一定的规律，去描述整个大变形过程，从而确定结构在完全加载后的变形和内力。但在深海采矿受力复杂的情况下，作出猜想假设。假设1：假如实际上这些荷载有时间差别的加载的，则应以载荷实际加载的先后按顺序加载到结构上去。假设2：假如作用在荷结构上的载荷是同时加载的，那么现在最普遍的分析处理方式就是按比例加载，即逐步修正加载去解决。b.大变形问题分析的方法关大变形问题的分析方法目前最普遍的主要有以下两种：第一种称为整体拉格朗日法（法）：第二种称为修正的拉格朗日法（法）。法是通过定义变

20、量变形、应力、应变等进而去寻找表达平衡、连续关系式。其中在所有加载步骤中参考构型都是取结构初四时刻。 而U.法异于上述T.L法。不同点在于每步加载后的计算都是在上一步的构型上求得的，以此类推上一步的构型都是已经求得的。因此，在连续加载的步骤过程中，每一步的参考构型总是在不断地被修正。于 .法正好解决了深海采矿系统输运管线静力分析程序的求解大变形问题。1.3本文的工作 本文的研究工作主要有以下两个部分：一是介绍采矿系统的组成，与输运软管在深海采矿作业环境下软管的静力学分析。二是建立模型，利用工程软件ANSYS Workbench进行有限元分析，模拟仿真分析软管的各个参数之间的相互影响。在进行仿真

21、计算时通过改变输运软管的固有参数（弹性模量、管外径大小），内流参数（内流速度v、内流密度、内流粘度系数）来研究输运软管力学特性（最大侧向位移、最大主应力）受这些因素的作用效果。 在我们研究的问题中，期望达到最小值的目标有：软管上端受中继舱的约束反力，软管下端受集矿机的约束反力以及软管弯曲的曲率。影响这些目标的设计参数有：软管刚度，长度，浮力块的位置及所提供的浮力的大小。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。 1.4本章小结 本章主要阐述论文的工程背景，即我国深海采矿的研究意义是未来高新技术产业，是未来矿藏资源开采的方向 。然后阐述了国内外在此领域的研究现状，国内在深

22、海采矿领域研究起步较晚 ，总体落后于国外。进一步提出了本文的研究内容及任务。2.深海采矿输运软管力学行为分析研究2.1深海采矿系统的组成 随着对深海采矿技术的深入研究，研究发现采用流体提升采矿系统是最具有实用价值的。其工作原理是借助流体提升，通过管道将海底集矿装置收集到的矿石输运到海面。此采矿系统可装备智能化的装置如自行式远程控制集矿机，可通过远程控制进行海底采矿作业。采矿船在海面也可进行一定的纵向或横向运动。这样集矿机就可以避开海底障碍与不利地形。整个采矿系统就具有较好的灵活性和实用性。能够大规模、高效率的开采，满足工业应用的需求。我国工业开采时的采矿系统如图1所示，它由自行集矿机、扬矿子系

23、统、监控子系统、采矿船、运输支持子系统五大部分组成。图1流体提升采矿系统示意图 集矿机配备智能化的装置，可在海底自行采集结核矿石，并进行初处理。将矿石收集至管道提升口，向输运子系统供矿。输运子系统的作用是将采集的结核矿石经管道提升至海面采矿船上。监控子系统负责整个采矿过程全方位的监控如采矿系统定位、作业控制和管理。采矿船是深海作业平台，为海下设备提供支撑、动力、设备存放和维修，同时完成结核矿石储存和向运输船转运。运输支持子系统将结核矿石运输到口岸，向采矿船供应补给品及人员轮班。深海采矿系统中正确选取输运软管参数的重要性。 在图所示的系统中，输运软管的作用是将集矿机采集的矿物结核经软管输送到扬矿

24、主管下端的中继舱。软管长度约，内径约，中间包扎浮力材料，使其呈柔性拱形浮于海水中，以便矿物结核水混合物在管内平滑流动。允许集矿机偏离主提升管道左右移动绕过障碍，且在地形高度变化时可补偿扬矿管下端距海底高度变化以适应海底地形变化。由于输送软管的上端固定在中继舱，下部连接在集矿机上，因而软管在海下要承受多种外力的作用，如重力，浮力，海流阻力，管道内摩擦力等。这些力通过软管接头作用于集矿机上，作用力的大小、方向不断变化，若事先不加以约束，必将影响到集矿机的行驶性能，产生一些不可忽略的后果，如降低集矿机的机动性和平稳性，增加集矿机的功率消耗，严重时还可能使集矿机倾覆。因此在设计中，首先必须对输运软管的

25、受力进行认真，准确的分析研究，并在此基础上，采取适当的优化方法，以选取适当的软管参数，如浮力材料的重量，浮力材料相对输运软管的位置，输运软管刚度，长度等，如此才能确保整个大洋采矿系统具有优良的性能。查阅资料输运软管在湖泊中实验采集到的参数如表1所示。表1深海采矿系统中输运软管各参数值大输运软管参数参数值大小输运软管实际布放总长度（） 每节输运软管的长度（）输运软管的内径（）输运软管外径（）单位长度输运软管的质量（）(空气中测得)输运软管接头的质量（）(空气中测得)，（水中测得）输运软管材料的抗拉刚度（）输运软管材料的抗弯刚度（）输运软管的破断力（）输运软管的弹性模量（）输运软管的密度（）2.2

26、输运软管的受力分析 输运软管在深海采矿系统作业中，会有许多作用力施加载输运软管上。这些作用力包括：输运软管自身重力、内部流体重力、输运软管在海水中受到的海水浮力、浮力体对输运软管的拉力、海洋波浪力、海洋海流力、集矿机的拖拽力等。在本文研究的深海采矿系统中假定海洋的波浪和海流是沿同一方向运动的，且与采矿船的运动速度方向相反。输运软管在深海采矿系统作业过程中受力示意图2如图所示。图2软管受力示意图在进行输运软管力学行为分析时，并不考虑集矿机拖拽力对输运软管的影响，假设集矿机静止不动，即。输运软管自身重力 （1）内部流体重力 （2）海水浮力 （3）其中分别是输运软管的密度、内部流体的密度以及海水的密

27、度， 分别为输运软管的外径和内径，为输运软管的总长度。 2.2.1浮力体对输运软管的作用力(1)浮力体的布放位置及产生浮力的大小为了保证输运软管的安全性以及结核矿浆在输运软管内输运的效率，在输运软管上布放浮力体，用来使软管在海洋里竖直方向的受力接近为零从而使其可以自由、灵活的移动。在实际作业的海洋系统中，通常在软管的两个位置布放浮力体使软管的空间构型变成可以灵活伸展的马鞍形。在靠近集矿机的附近设置第二个浮力体。如此放置两个浮力体之间的部分软管，不会受到当集矿机前后左右运动时的影响，只产生较小速率的运动而对输运软管和中间仓不会产生较大的影响。因此,在竖直方向上输运软管所受的力接近为，即根据他人对

28、浮力体布放位置的不同对深海采矿系统影响的模拟分析结果，较好的放置位置是将浮力体1悬挂在距中间仓处产生浮力大约，而把浮力体2悬挂在距集矿机处产生大约的浮力。(2）输运软管水平距离对输运软管空间构型的影响 将中间仓与集矿机的相对水平距离设为，为分析不同相对水平距离对输运软管的空间构型的影响分别取： 计算出不同下输运软管的空间初始构型如图3所示。图3 不同L下输运软管的空间初始构型通过图3的不同下的输运软管的空间初始构型比较，可以观察到当中间仓与集矿机的相对水平距离=时，输运软管的空间初始构型较好。为了保证输运子系统的输运效率，应将控制在一定范围内（）。2.2.2 波浪和海流对输运软管的作用力 距离

29、海面深度为处单位长度的柱体所受到的波浪和海流联合作用力为: （4）距离海面深度为z处的波浪运动的速度: （5） 波浪运动的加速度： （6） 海流速度为 ： （7）在实际的深海采矿系统工作过程中，输运软管工作在距离海面深度为850-1000米区域里，将其代入公式中得到波浪运动的速度和加速度、海流的速度均很小，在代入公式 中得到输运软管所受到的波流合作用力很小，可以忽略，因此在进行本次输运软管模拟仿真实验时，不考虑水平方向的受力。2.3输运软管流固合动力学方程 根据动量定理和质量守恒定律，分别建立输运软管管内、外流体动量方程和质量守恒方程，假定流体是不可压缩且具有粘性的宾汉流体，输运软管为线性弹性

30、材料，内部流体动量方程和质量守恒方程分别为： （8） （9）其中： 流体速度；流体压头；管道内径；(为管壁轴向速度)；管道中流体压头波速；输运软管弹性模量；泊松比。 固体区域输运软管的结构运动方程由轴向、侧向和横向运动方程构成： （10） （11） （12）式中：输运软管质量密度，流体质量密度，管壁横截面积，过水断面面积，转动惯量，管道倾斜角， 流体压力。 方程（8）和方程（10）是摩擦耦合流固方程，方程（11）和方程（12）属于泊松耦合。求解以上方程，可得出输运软管的位移和应力。2.4 本章小结 本章主要介绍了深海采矿系统的组成、深海采矿系统工作环境、输运软管在采矿系统作业过程中受到的载荷包

31、括自身重力、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。从而通过静力学分析载荷对输运软管的作用力，用经验公式列出载荷方程。对输运软管在采矿系统作用过程中的载荷进行静力学分析 ，为后文模拟仿真提供了依据。3.模拟仿真3.1简介 ANSYS Workbench模拟仿真软件ANSYS Workbench软件是由美国ANSYS公司研发的新一代有限元分析(FEA)软件。该软件具有大型通用的特点。发展至今ANSYS系列软件是全球新软件更替最快的计算机辅助工程(CAE)软件，其兼容性高能与很多计算机辅助设计(CAD，computer Aided design)软件通用，达到数据的互换。是满

32、足多种领域模拟分析的大型通用有限元分析软件如在结构、流体、电场、磁场、声场分析上。或者相互混合于一体的领域分析上都能达到很好的模拟分析计算。ANSYS Workbench和一般的计算机辅助设计软件一样可以建立实体模型。实体建模网格划分。并在静力学分析的基础上给模型设置模拟仿真环境，即添加约束和载荷。在对比结构静力分析和运用ANSYS Workbench模拟分析可知。静力学仅限于研究刚体，很适合研究力对物体的结构变形影响细微可以忽略的问题，在此前提条件下求解外载荷引起的位移、应力和力。而ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及

33、接触分析。而在面对深海采矿错综复杂的输运软管非线性的力学分析上，ANSYS Workbench是在此领域最适用的软件。结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。ANSYS Workbench实际上就是利用ANSYS来求解实际问题的新一代有限元分析平台产品，它集合了现有的各种工程应用程序，使数据实现无缝传递及共享，并将有限元分析过程结合在一起提高仿真效率，提供不同的工程应用功能模块以保证仿真模拟的通用性和精确性， ANSYS Workbench主要有限元模拟仿真流程如图4所示。 静力分析 建立模型 设

34、定仿真模拟环境施加约束和载荷求解 图4 ANSYS Workbench 模拟仿真流程图3.2建立输运软管有限元模型 首先在ANSYS Design Modeler中建立输运软管和内部流体的有限元模型，建立模型的具体步骤如下：a.绘制草绘图（也可在CAD中完成）（1）开始一个新的工程，点击Design Modeler 图标进入DM.（2）设定 Length unit 为 millimeters（3）在Design Modeler 中选择草图模式（Sketch mode）在草图模式中创建二维体是为3D建模做准备。（4）进入草图模式创建新平面(New Plane)创建新平面的过程如下。点击“New

35、Plane ”按钮，这时在树形目录中显示构建新平面的几种类型。具体含义如下：From plane ：从另一个已有面创建平面From Face ：从表面创建平面From Point and Edge：用一点和一条边界方向的法线定义平面From Three Points ：用三点定义平面。From Coordinates ：通过键入距离原点的坐标和法线定义平面选择 From Three points XY平面。（5）在草绘模式界面中单击 “toolboxes”按钮，从弹出的绘图工具对话框（toolboxes）中选择circle。这时状态条提示 “Circle -Click,or press and

36、 hold ,for center of circle”确定圆心位置。确定圆心后状态条提示：拖动和松开鼠标来定义半径大小。 设置圆的半径为150mm,画出圆1.重复步骤4画出同心圆2，半径为205mm。（6）单击”Look At”图标切换平面至YZ平面。（7）单击”toolboxes” 选择样条曲线，绘制过圆心的沿条曲线,长度设置为400m.完成草绘图。b.生成3D实体（1）打开已建好的草绘模型。（2）打开【插入】|【扫描】命令，选择【扫描】。 打开【扫描轨迹】菜单，选择【选取轨迹】选项来选择现在的曲线和边界作为扫描的轨迹。 创建或检索扫描截面，并以圆1、圆2为边界，沿样条曲线轨迹扫描。得到输

37、运软管模型，如图5所示。然后对输运软管和内部流体进行有限元网格划分。由于在深海采矿海试中输运软管的管长约为，在用ANSYS 软件分析研究过程中不但计算量庞大、计算时间很长且计算的准确度不高。为了避免这个问题，在本实验输运软管力学分析中，建立的输运软管和内部流体的有限元模型均采用的长度。建立的输运软管的外径为、内径为、弹性模量为、泊松比为内部流体密度为.输运软管与内部流体的三维有限元网格模型如图3-3所示，其中输运软管采用三维八节点六面体的固体单元，内部流体采用三维八节点六面体的流体单元。输运软管有限元网格模型共6592个单元，46224个节点；内部流体有限元网格模型共有50676个单元，578

38、20个节点。如图5所示。图5 输运软管与内部流体的三维输运软管的内部流体是由结核矿石泥沙和海水混合的固液两相流体。输运软管在 深海采矿系统正常工作时，收到的浮力和自身重力均以分步载荷方式加载在输运软管的单元上。在结核矿石输送过程中，输运硬管顶端与采矿船的连接采用球型铰接，输运硬管底端与中间仓的连接形式为十字形铰接。在进行有限元分析过程中，假设输运软管的两端固定不动（即集矿机和采矿船相对静止），所以在输运硬管的两端加载固定约束。在进行仿真计算时通过改变输运软管的固定参数（弹性模量、管外径大小），内流参数（内流速度、内流密度、内流的粘性系数）来研究输运软管力学特性（最大侧向位移、最大主应力）受这些

39、因素的作用效果。3.3 输运软管力学行为分析在对输运软管的力学特性进行分析时，主要通过改变输运软管的固有参数、内流参数等因素的大小，来分析其力学特性。分析的力学特性主要有最大侧向位移和最大主应力。每改变一次参数值的大小，便通过ANSYS Workbench 分析得到一个结果，使用MATLAB软件将这些结果画成以改变的参数为横坐标、力学特性为纵坐标的画像。就得到了输运软管的最大侧向位移、最大主应力岁参数改变的曲线。3.3.1 输运软管固有参数对输运硬管力学特性的影响 输运软管固有参数对输运硬管的力学特性有很大的影响，主要分析对输运软管的弹性模量和外径尺寸的作用效果。 （1）输运软管的弹性模量变化

40、对输运硬管力学特性影响，输运软管最大侧向位移受弹性模量变化的影响。 在对输运软管进行力学分析时，保持输运软管有限元模型的其他参数不变，分别将输运软管的弹性模量设为、来进行模拟仿真。根据ANSYS Workbench 仿真出来的结果可以得出输运软管不同弹性模量值对其最大侧向位移产生的影响，将对于产生的数值通过MATLAB软件画出输运软管最大侧向位移与弹性模量之间的关系如图6所示。图6软管的弹性模量对其最大侧向位移的作用效果 由图6可知，随着弹性模量的增加输运软管最大侧向位移有所减少，切最大侧向位移的降幅越来越小。产生这一结果的主要原因是输运软管的弹性模量越大，越难以发生弯曲变形，从而其最大侧向位

41、移越小。由于输运软管的一端与在海底采矿的集矿机相连，为了使集矿机行走更加自由灵活，输运软管的弹性模量越小越好，这样有利于软管的变形。但当弹性模量过小时，输运软管受到较小的力便会产生较大的变形使内部矿浆的输运不稳定造成整个输运子系统不能稳定地工作。为了确保深海输运系统能过正常稳定连续地工作，输运软管的弹性模量应该设定在一定的范围之内（如）。3.3.2输运软管最大主应力受弹性模量变化的影响 如上文提到，根据ANSYS Workbench仿真出的结果可以得出输运软管不同的弹性模量值对其最大主应力产生的影响，将对应产生的数值通过MATLAB 软件画出输运软管最大主应力与弹性模量之间的关系如图7所示。图

42、7输运软管的弹性模量对其最大主应力的作用效果 由图7可知，随着弹性模量的增加输运软管所受的最大主应力有所减少，并且与输运软管受其弹性模量变化最大侧向位移的变化趋势相同。产生这一结果的主要原因是输运软管的弹性模量越大，其侧向位移越小造成内部流体矿浆对软管的剪应力产生的附加弯矩越小，进而造成其所受到的最大主应力越小。为了确保深海采矿系统能够正常稳定连续地工作，输运软管的弹性模量应该设定在一定的范围之内。3.3.3输运软管最大侧向位移受外径大小变化的影响 在对输运软管进行力学行为分析时，保持输运软管有限元模型的其他参数不变，分别将输运软管的外径大小设为、来进行模拟仿真。根据ANSYS Workben

43、ch仿真出来的结果可以得到输运软管不同的外径尺寸对其最大侧向位移产生的影响，将对应产生的数值通过MATLAB软件画出输运软管最大侧向位移与外径大小之间的关系如图8所示。 图8 软管外径对输运软管的最大侧向位移产生的影响 由上图8可知，随着输运软管外径的增大输运软管的最大侧向位移有所减少。产生这一结果的主要原因是输运软管外径越大（内径大小保持不变），越难以产生弯曲变形，导致其最大侧向位移越小。为了减少输运软管变形过程中受到的海水阻力，需要的输运软管的外径越小越好。但输运软管的外径过小又会造成过大的侧向位移，对输运子系统的稳定运行造成影响。输运软管只有采用适合的外径尺寸才能保证输运系统的高效平稳运

44、动。3.3.4输运软管最大主应力受外径大小变化的影响 如上文提到，根据ANSYS Workbench仿真出的结果可以得出输运软管不同的外径尺寸对其所受的最大主应力产生的影响，并将对应产生的数值通过MALAB软件画出输运软管最大主应力与外径大小之间 关系如图9所示。图9输运软管的外径尺寸对其最大主应力的作用效果 由上图9可知，随着输运软管外径的增打输运软管的最大侧向位移有所减少。这是因为输运软管的外径尺寸越大，其最大侧向位移越小造成内部流体矿浆对软管的剪应力产生的附加弯矩越小，进而造成其所受到的最大主应力越小。因此，只有适宜的外径尺寸才能保证输运软管子系统有效地工作。由上面的分析可知，输运软管的力学特性受其固有参数影响很大，随着弹性模量的增加输运软管的最大侧向位移和最大主应力减少；随着外径尺寸的增大输运软管的最大侧向位移和最大主应力减小。在输运系统设计过程中，应合理选择输运软管的材料和尺寸，保证其弹性模量处于。3.3.5输运软管最大侧向位移受内流速度变化的影响内部流体的运动速度对输运软管的力学行为会产生较大的影响。在对输运软管进行力学行为分析时，保持输运软管有限元模型的其他参数不变，分别将输运软管内部流体流动的速度设为