基于adams的深海采矿系统动力学仿真分析

基于adams的深海采矿系统动力学仿真分析

1多金属使用采矿系统虚拟样机的研究随着矿产资源的逐渐匮乏，丰富的海产资源必然成为人类开发和利用的替代资源。深海资源开采技术及装备已成为各先进工业国家的重要研究对象。中国1000m多金属结核海试系统主要由采矿船、提升泵、扬矿硬管、中间仓、软管和集矿机组成。深海多金属结核采矿系统的任务是在海底采集多金属结核矿石，破碎后经软管、中间仓（缓冲器）和扬矿硬管吸扬至海面采矿船，然后经脱水并运输到口岸。开展多金属结核开采系统的虚拟研究，对系统中的一些关键设备进行虚拟样机设计，进行多金属结核海上开采（试验）过程模拟和动力学分析，由此对系统的运转性能进行分析和评价，对可能出现的问题进行分析和模拟，可为系统的研制和开采（试验）作业提供理论依据和技术参考。本文介绍了利用大型商业动力学仿真分析软件ADAMS建立深海采矿系统动力学分析虚拟样机模型的过程。2动力学分析软件强调系统设计ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)软件以良好的性能和广泛的适用范围,在国际和国内机械系统动力学仿真领域内赢得了广大用户的信赖和好评。ADAMS软件是当前世界上应用范围最广、最权威的机械系统动力学分析软件,全球市场占有率超过50%,利用它可以快速建立包括机-电-液一体化的复杂机械系统的多体动力学虚拟样机,从产品概念设计、产品设计、方案修改、优化、试验规划到故障诊断阶段,提供全方位的解决方案。工程师可以利用此软件建立复杂机械系统的“虚拟样机”,逼真地模拟其所有运动,并且快速分析、比较多种设计思想,直至获得最优设计方案,从而明显减少昂贵的物理样机制造数量、提高产品设计水平,并大幅度缩短产品开发周期。ADAMS软件作为一个开放的通用机械系统动力学仿真软件包，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统虚拟样机，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力的曲线。它预定义了大多数工程实际问题中使用的元素，为各个用户能以自己的方法来解决自身的问题提供了广阔的空间。3管道的下部结构及管道布置在建立深海采矿整体系统虚拟样机模型前，我们对系统的结构进行了简化。水面支持船仅考虑外形与尺寸、质心的位置及与硬管连接位置，不考虑其力学性能。对于扬矿管部分，主要考虑采矿系统的整体联动性能，管道上的电缆、泵等附加部分质量折算到管道上，整个管道作为光管处理。集矿机只考虑外形与尺寸、质心的位置及与软管连接位置，不考虑其力学性能。3.1创建几何模型采矿船及其布放回收装置的虚拟样机模型如图1所示。船体是在ADAMS/View建模环境中通过几何体建模构建出来的：首先，利用ADAMS/View提供的几何建模工具创建简单几何实体；其次，通过简单几何实体的连接和布尔运算工具按照船体结构和外形建立船体模型；最后，利用模型修饰工具（倒角、壳体等）对船体模型进行修饰处理。几何体建模以后，船体需要赋予材质和物理特性，船体采用钢结构材质。质量按照试验船的真实船体质量修正，船体质心定义于月池中轴线上。船体在波浪中的运动主要包括升沉、横摇、纵摇等运动。本研究主要考虑船体的升沉运动，可采用在船体质心处添加一个垂直方向的简谐运动来模拟船体升沉。3.2集矿机的不同计算集矿机的主要功能是在海底采集结核矿石，脱泥、破碎。海试系统选用履带自行式水力集矿机。集矿机是整个采矿系统的一个十分重要的组成部分。考虑到利用ADAMS/ATV模块建立的集矿机虚拟样机模型非常复杂，计算过程非常费时且占用内存空间相当大，不利于整体系统联动性能的分析计算。因此本研究对集矿机只考虑外形与尺寸，不考虑其实质的力学性能。集矿机模型如图2所示。3.3为水下设备安装平台中间舱在采矿系统中的作用是缓解集矿机结核采集量的变化对扬矿作业的影响，保证扬矿系统在其设定的参数下稳定地运行；增强采矿系统的稳定性；为水下设备提供安装平台。它由摆动联接装置、框架、仓体、给料机、设备安装平台、液压系统等主要部件组成。在整体联动系统分析中，不考虑内部复杂的结构，将其简化为一个质量块，上、下两端采用十字绞分别与扬矿硬管和软管相连。3.4部件之间连接件的建模利用多刚体离散元方法，在ADAMS中建立硬管模型采用的柔性连接元为轴套力（Bushing），即将硬管离散为一定数量的刚体元，相邻两段之间施加轴套力。轴套力是ADAMS建模中两个部件之间的一种连接方式。与一般的约束（joints）不同的是，它是一种柔性连接，在一定距离的两个部件之间施加线性变化的力和力矩。使用六个分量来定义力和力矩（Fx,Fy,Fz,Tx,Ty,Tz）。定义轴套力时，首先在两个连接件上产生两个标记点，第一个部件上的标记点为Imarker，第二个部件上的标记点为Jmarker。硬管模型如图3所示。硬管所受液动力根据Morison公式编写函数，以单作用力的形式直接加在每段刚体的质心位置，液动力设置对话框如图4所示。3.5采用单元模型输送软管部分由输送泵、软管、浮力装置、软管与集矿机及中间舱的连接机构等组成。通过在软管两处分布浮力单元产生浮力的作用，将软管的空间构形确定为易于伸展的双拱结构的马鞍形形态。建立软管模型仍然采用与硬管建模相似的方法，每根软管之间的连接也采用轴套力（Bushing）。软管下端采用十字绞与集矿机相连，上端亦采用十字绞与中间舱相连。浮力采用ADAMS力库中的组合作用力（ForceVector）模拟。3.6拟样机模型拟机理将上述各子系统的虚拟样机模型连接起来，得到整体系统的虚拟样机模型，如图5所示。整个系统的坐标空间定义为：Z轴为垂直水面方向，沿水深方向为负，X轴正方向为海流力方向。X—Y平面为水平面，后续仿真研究均以该模型为初始状态。4基于0m的海底