基于adams的深海采矿系统布放回收装置仿真研究

基于adams的深海采矿系统布放回收装置仿真研究

1研磨法上集矿机布放过程模拟由于波浪、波浪和波浪的作用，采矿船在海床上旋转，船上设备在悬挂和钻孔过程中也会产生倾斜。如果倾斜范围过大，就会影响船舶结构，损坏矿山船的结构和设备，并导致整个采矿过程的失败。因此,需要对大洋采矿系统的布放、回收过程进行动力学分析和模拟,从而为大洋采矿系统布放回收装置设计方案的确定和海试作业中布放回收的操纵提供技术依据。本文以ADAMS为工具,对深海采矿作业布放回收过程中集矿机的布放过程进行了仿真研究。ADAMS软件是美国MechanicalDynamicsInc.公司研制的集建模、求解、可视化于一体的虚拟样机软件,是目前世界上使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。在ADAMS环境下,通过建立机械系统的数字化虚拟样机,可以真实地仿真系统运动过程,并且可以迅速地分析和比较多种参数方案,直至获得优化的工作性能,从而大大减少昂贵的物理样机制造及试验次数,提高产品设计质量,大幅度地缩短产品研制周期和费用。2布放回收技术由中国大洋协会开发的深海采矿系统由采矿船、扬矿管、中间舱和集矿机构成(如图1所示)。该系统中的部分子系统已于2001年在云南抚仙湖成功进行了湖试。根据中国大洋协会的计划,下一步将进行1000米水深的海试。海试过程中,整个采矿系统的设备由采矿船运载至试验区,然后进行布放,形成系统。由于海试的环境相对恶劣,布放回收过程将在较大的风、浪、流的作用环境中进行,因此,布放回收是一项风险很大的工作,布放回收的成功与否也是海试能否顺利进行的关键环节之一。水下开采系统的各种重要设备平时存放在船上,布放时首先用起重机将集矿机从存放舱吊移到月池上方;然后将集矿机、输送软管以及电源电缆、控制电缆等与集矿机连接起来;再将集矿机从月池放入水中,不断连接扬矿管,逐步下放,使集矿机到达海底,并使软管有一定程度松驰,在此过程中还需按规定分别接入其他设备,例如浮力球、中继舱、提升泵等。回收过程是将水下开采系统的各种设备回收到母船上来,并且安全准确地吊运到规定的存放位置。本文应用ADAMS对深海采矿作业布放回收过程中集矿机的布放过程进行了虚拟样机分析。2模型在布置和回收过程中的示例2.1建立船舶模型根据海试总体设计要求,按照基本尺寸1:1的比例,在ADAMS环境下建立了布放与回收装置的虚拟样机模型。在建模过程中,可以充分利用ADAMS中丰富的几何实体库,力库和约束库,建立船体和集矿车等设备的虚拟样机模型。首先,利用ADAMS/View提供的几何建模工具创建简单几何实体,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;然后,利用模型修饰工具(倒角、壳体等)对船体模型进行修饰处理。定义船体材质为钢结构。材质定义后,ADAMS/View根据几何体体积和密度自动计算质量和转动惯量,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。应用同样方法可建立集矿机的模型。集矿机包括车体和浮力体两大部分。定义车体的密度和浮力体的密度后,ADAMS/View根据其几何形状分别计算出质量和转动惯量,由此可以得到集矿机的转动惯量。然后通过布尔运算工具将车体与浮力体连接为一个整体,输入整体的其质量和转动惯量。吊运设备所用的吊车放置在船上的双轨高架桥上,二者之间定义移动副。吊车的运动用函数来描述,当设备从存放仓吊出时,吊车不运动;设备起吊至一定高度,送往月池上方时,吊车以给定速度运行,到达月池上方后停止。2.2缆绳在建模过程中的作用吊运中所使用的缆绳是布放回收过程的一个关键元素,缆绳的特点和弹簧相比有类似之处,但又有很大差别,尤其是在物体的提升过程中,定义弹簧阻尼很难实现缆绳不断缩短的情况。因此需要自定义缆绳的模型。在建模过程中采用对所吊运设备施加作用力的方法,代替缆绳的作用。根据力的大小与缆绳两端距离的关系,定义step函数,从而描述力的变化。ADAMS提供的step函数(见图2)为:step(x,x0,h0,x1,因此根据式(1)定义对缆绳所悬吊的物体施加的作用力为:(1)、(2)式描述了缆绳这样一个受力和变形的过程:当缆绳两端的距离小于其原长时,作用力为零,物体在自身重力的作用下运动;当缆绳上下两端的距离超过其原长时,缆绳被拉长。缆绳的伸长量在所定义的其弹性变形范围之内。2.3采矿船运动仿真船舶受海浪等海洋环境扰动作用将产生振动运动,如果将船视为刚体,则这种运动一般有横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和垂荡(或升沉)等六个自由度。因为布放回收作业时,采矿船的位置由动力定位系统相对固定,所以在仿真中主要考虑横摇、纵摇和垂荡对布放过程平稳性的影响。船在波中的横摇响应接近于其固有周期。而船舶纵摇和垂荡的平均周期接近于不规则波浪的平均周期。船舶各方向上的运动可近似的视为简谐运动。根据海试总体设计要求,布放与回收作业要求能在四级海况下进行,考虑出现短时六级海况的可能。主要参数如表1所示。根据上述物理环境参数,采用由一个垂直方向的直线简谐运动和二个方向的旋转简谐运动组合而成的组合运动来模拟采矿船的运动状况。组合运动添加于船体重心上。3基于abam的精度积分求解算法ADAMS采用世界上广泛流行的多刚体系统动力学理论中的Lagrange方程方法,建立系统的动力学方程。它选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的三个直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉角作为笛卡儿广义坐标,用带乘子的Lagrange方程处理具有多余坐标的完整约束系统或非完整约束系统,导出以笛卡儿广义坐标为变量的运动学方程。在进行动力学分析时,ADAMS采用两类算法:1)提供三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序:GSTIFF积分器,DSTIFF积分器和BDF积分器来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程,这种方法适于模拟刚性系统(特征值变化范围大的系统)。2)提供ABAM积分求解程序,采用坐标分离算法来求解独立坐标的微分方程。这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。本文所研究的采矿系统布放回收过程的虚拟样机是一个低频的模拟刚性系统,所以,针对该系统的ADAMS系统动力学方程,采用第一类算法求解。第一类算法中GSTIFF、DS-TIFF和BDF积分器三种积分程序的数值计算稳定性关系为:BDF>DSTIFF>GSTIFF(>表示稳定性好),数值计算效率关系为:GSTIFF>DSTIFF>BDF。这三种积分程序均适用于模拟刚性系统(特征值变化范围大的系统)。仿真时应根据所研究的机械系统选用最为适合的积分程序,而且积分程序中的控制参数,如最大迭代次数、是否重新分解雅可比矩阵、积分误差等选项对求解都有影响。增大最大迭代次数、设置重新分解雅可比矩阵选项、减小积分误差精度通常有助于求解收敛性,但积分误差精度过低会影响求解的正确性。综合考虑以上因素,在布放回收过程的模型仿真分析时选用GSTIFF积分器,设置重新分解雅可比矩阵选项,选用较高的积分误差精度。4浮运缆绳的摆动对集矿机吊运过程的影响在此模型的基础上,对集矿机在船上的吊运过程进行了仿真。图3是集矿机在船上的吊运过程的片段。从计算机屏幕上可以直观的看到吊运过程以及吊运过程中采矿船与集矿机的摇晃情况。为了研究采矿船的横摇周期对摆角的影响,对船以不同的横摇周期运动时的布放过程进行了仿真。通过比较仿真结果,可以得知,横摇周期与纵摇和垂荡周期相同时,会发生共振,摆角较大。如果在采矿船的设计中适当增大横摇周期,可以减小设备在吊运过程中摆动的幅度,还可使缆绳所受到的冲击载荷减小。图4反映了集矿机从存放舱吊出的过程中,采矿船的横摇运动周期对集矿机摆角的影响,总体看来,随着船的运动周期的增大,集矿机在吊运过程中摆角逐渐减小。对集矿机在船上水平导轨上的运输过程进行仿真,得到缆绳两端点间的距离分别在三个坐标轴方向的投影及其偏移角度(见图5)。可以看出,集矿机在X轴方向的最大偏移量超过1000mm,在Y轴方向的最大偏移量达到130mm,在Z轴方向的最大偏移量达到350mm,最大摆角达到15.9度。集矿机运送到月池上方后,由于惯性作用,摆角会比输送过程中增大。以上结果是在船的横摇、纵摇的幅值都较小的情况下得到的。因此可以得知采矿船在海上的摇摆对采矿设备的吊运影响是很大的。图6为集矿机在船上的水平导轨上运输过程中,缆绳所受载荷的变化曲线。可以看出,缆绳的拉力在32吨(集矿机的重量约为32吨)左右波动。在仿真初始阶段,由于载荷冲击作用,缆绳所受拉力较大。由此可知,通过step函数定义力来建立缆绳的模型是可行的。5仿真结果后处理运用ADAMS软