UML在深海集矿机远程监控系统中应用研究

分析了UML（unified modeling language）建模方法在信息建模中的优点,具体研究了UML建模方法在深海集矿机远程监控系统建模中的应用;针对深海集矿机远程监控系统的工艺流程,采用UML中的用例图、活动图和序列图等描述远程监控系统的需求、分析和设计阶段的信息系统模型;并对深海集矿机远程监控系统进行建模,使系统模型更通用、更易理解,增强了系统模型的重用性和互操作性。以Rational Rose 2002为工具来描述UML方法的建模过程,开发了深海集矿机远程监控系统,在海洋采矿系统的模型机上试验运行情况良好。     

深海采矿提升管泵级设置优化研究

随着陆上资源的日渐枯竭,深海开发已经成为世界主要大国的重要战略目标,实现高效、低能耗的深海矿产提升具有重要意义。基于大颗粒垂直管道提升理论和离心泵理论,针对不同矿浆浓度设定多种工况,假定泵级数,分别求解系统工作点。从效率、产量、功率和单位产量能耗四个优化指标出发,借助图像进行直观分析比较,优化泵级数的设置。分析结果表明,单位产量能耗在某一较高泵级数处可取得最小值,此时亦可保证较高的产量和泥泵效率较好的发挥,该泵级数可选取为最优泵级数方案。     

基于长基线系统深海采矿ROV精确定位

对于深海采矿集矿机ROV的定位,采用传统的长基线水声定位系统通常存在较大误差。对此提出了一种新的算法模型,首先通过比较集矿机测量位置与前一次修正位置的几何关系,对当前集矿机的位置进行修正,然后利用新的集矿机位置修正声速的数值,并得出重新修正后的集矿机测量位置。这样反复的多重迭代使得在某一时刻集矿机ROV的测量位置逐步趋近其理想位置,实现长基线系统的水声精确的三维立体定位。通过数值仿真分析,结果显示与传统的长基线水声定位方法相比,通过该方法获得的集矿机行驶轨迹能更好地趋近其理想行驶曲线,表明该算法的有效性。     

深海采矿扬矿泵导叶区域粗颗粒通过特性试验研究

在深海采矿系统中,海底矿石必须经过扬矿泵才能提升到海面船上,但矿石粒径较粗,容易在泵体中形成堵塞,尤其是在扬矿泵导叶区域,因此,研究粗粒在导叶中的运动特性对于保障系统安全工作具有重要意义。针对深海矿物粒径较大的特点,设计并制作了具有宽流道的扬矿泵流道模型,安装于管道输送试验系统。利用高速摄像机对扬矿泵导叶内粗颗粒运动特性进行了记录,并对其运动轨迹、碰撞情况以及颗粒速度等信息进行了分析。结果表明:颗粒在通过导叶区域时,运动轨迹与水流流向基本一致;颗粒与导叶发生碰撞位置主要集中于导叶背面入口处、导叶压力面中部和导叶背面出口处;颗粒粒径越小,跟随性越好,碰撞次数越少。试验结果可为扬矿电泵设计提供参考。     

深海采矿转臂机构采矿姿态优化研究

针对海底地形不平坦特性,提出了一种变幅机构来自适应海底地形采矿姿态的采矿机构。综合考虑采矿机构采掘头距海底高度对采矿率影响,利用关键点法建立了节臂上的点到海底地形距离的数学模型。在此基础上,建立了以采矿率最高为目标的最优采矿姿态数学模型。以某实际地形为例,采用模拟退火遗传算法优化求解最优采矿姿态。根据其优化后结果可知,其最优采矿姿态与海底地形坡度变化一致,从而证明了采矿姿态模型的正确性。     

Dynamic analysis of vessel/riser/equipment system for deep-sea mining with RBF neural network approximations

Abstract

Deep-sea mining (DSM) is an advanced technology. This article is focused on the dynamic analysis of a coupled vessel/riser/equipment system of a DSM based on radial basis function (RBF) neural network approximations while considering vessel dynamic positioning (DP) and active heave compensation (AHC). A coupled model including the production support vessel (PSV), lifting riser, and slurry pump is established containing simulated DP and AHC models. Furthermore, dynamic simulations are implemented to obtain the results of the vessel motions, thruster forces, pump motions and riser tensions. Using optimal Latin hypercube sampling, an RBF neural network approximation model is established, the input includes environmental factors and the output includes the dynamic responses of the pump motion and riser tension. Calculations are performed using RBF network approximations instead of a coupled model. The obtained results show that the PSV wave frequency (WF) motions have significant influence on the dynamic responses of the subsea system. Moreover, the current load affects the compensation effect. The RBF network approximation model can be used to reduce the required calculation time.     

履带式深海采矿车软底质行走性能分析

海底底质的物理力学参数不同于陆地土壤,其极低的抗剪强度和承压强度对深海采矿车的行走性能提出高要求。分析基于车辆地面力学理论,开展了底质土力学特性试验研究,建立了深海底质力学模型。根据深海重载作业采矿车样机结构参数,在大型动力学仿真软件Recurdyn中建立了仿真模型。通过直线行走多体动力学仿真与直线行走海试试验的对比,验证了仿真模型的准确性。在此基础上开展了采矿车样机在深海软底质上的多种行走工况动力学仿真,分析与评价其行走性能。结果表明,采矿车样机可以顺利完成转弯、爬坡、越障等基本功能。该研究成果可为深海采矿车海底行走性能评估提供理论参考,为深海采矿车和软底质的相互作用力学研究提供借鉴。     

自治水下机器人在深海采矿系统湖试中的应用

以大洋采矿前期的湖试为例,介绍了AUV在矿产资源调查和深海采矿中的应用。在深海采矿系统作业前期,利用AUV调查湖底的地形地貌、结核的分布与覆盖率,确定集矿机作业地点的大地坐标。在深海采矿系统作业后期,利用AUV调查集矿机在湖底的行走轨迹和压陷深度,估算回采率。     

基于实际气体状态方程的深海采样压力补偿技术

压缩气体通常用于深海压力保持采样器的压力补偿。回收的流体样品的压力和体积与预充气体高度相关。为了更好地理解高压下气体的行为,我们提出了一个新的基于压缩因子Z的实际气体状态方程,该方程是从实验数据得出的。然后基于该经验气态方程引入了样品压力和体积的理论计算方法。最后,通过采样器进行了在115MPa下的高压模拟采样实验,很好地验证了本文所提出的计算理论。     

深海采矿整体联动风险分析及应急撤离策略研究

深海采矿作为新领域资源重点开发项目,国外已开展部分试验研究,国内现阶段仅停留在重点设备部件级功能验证,还未开展过系统整体联动,距离海洋油气等正在进行的规模化商业开采还有很大距离.本文以深海采矿系统整体联动模型为基础,与海洋油气工程作业平台技术模型进行对比,对整体联动风险点进行深度分析,并根据重点风险部件开展其悬挂模式、...     

深海采矿环境影响研究：进展、问题与展望

系统介绍了深海采矿环境影响研究的历史、现状及所取得的主要成果;分析了现有深海采矿环境研究存在的问题;提出了今后深海采矿环境影响研究的对策和主要发展方向。     

深海水泵与储料罐组合采矿硬管输送系统研究

通过对沙浆泵接力输送和水泵与储料罐组合输送两种深海采矿输送方法进行分析,可知采用沙浆泵对矿石流体进行接力输送的方法,沙浆泵容易磨损破坏,安装维护困难;而水泵与储料罐组合的输送方法在理论上具有扬程高,输送量大,能长期可靠地工作,当应用于深海硬管采矿系统时,输送设备的主水泵和主要动力设备安装于采矿船上,相对于深海工作,在技术上易于实现,工作可靠,操作和维修方便。并对四种输送系统参数进行分析,水泵与储料罐组合的输送方法在理论上可行,采用现有技术容易实现,是一种具有应用前景的深海采矿输送方法。     

浅谈深海多金属硫化物采矿的环境影响和保护措施

深海矿产资源开发及其环境保护问题近年来重新成为一个研究热点。深海环境极其复杂,人类对深海生物及其生态系统的了解仍十分有限,而深海采矿不可避免会对海洋生态环境造成影响,如不加强对采矿环境影响的研究并制定相关的保护措施,未来的深海采矿对海洋环境的破坏将无法估量。本文从深海采矿发展由来、多金属硫化物矿区环境、深海采矿技术发展、采矿环境影响和保护措施等几方面全链条系统地梳理了前人的研究成果,提出了深海采矿环境影响评价的发展方向,从而为今后开展深海采矿环境监测与保护提供参考。     

水牛蹄型深海集矿机履齿设计及牵引性能研究

作为深海采矿系统的重要组成部分,深海集矿机的技术研究和开发一直是许多国家的难题。为了提高深海集矿机在稀软沉积物上的牵引性能,基于水牛蹄的曲面结构特征和特殊几何结构,设计了一款仿水牛蹄蹄型履齿。以该款履齿的结构参数为研究对象,通过对朗肯被动土压力理论的优化,得到了仿水牛蹄蹄型履齿的牵引力解析解,建立了对应的履齿仿生参数对履齿牵引力的影响公式。结合正交试验方法进行了不同形式履齿在沉积物上运动的单、多履齿剪切试验,将仿水牛蹄蹄型履齿与直型履齿、仿水牛蹄轮廓履齿（另一种仿生履齿）进行对比试验,并通过模型车试验验证了该款履齿的可行性。结果表明：3种履齿中,仿水牛蹄蹄型履齿提供的最大牵引力最高。研究可为进一步优化仿水牛蹄蹄型履齿结构参数和提高深海稀软底质机械的牵引性能提供参考依据。     

水下拖曳升沉补偿系统水动力数学模型研究

建立变缆长的水下拖曳升沉补偿系统水动力学偏微分方程组和边界条件.拖缆动力学模型基于Ablow and Schechter模型,拖体采用水下运载体六自由度方程模拟,运用有限差分法离散偏微分方程组和牛顿迭代法计算变缆长情况下拖体深度与拖缆各点张力的动态取值.数值计算结果表明采用收放拖缆的升沉补偿方法能够有效削弱母船升沉运动对拖体深度和拖缆张力的影响.     

海洋绞车主动升沉补偿控制系统建模与仿真分析

针对海洋绞车主动升沉补偿系统的控制要求,通过对主动升沉补偿系统的控制机理进行分析,于Simulink软件中搭建海洋绞车主动升沉补偿控制系统的仿真模型。根据负载所处不同海况,设置相应仿真参数,得出负载在不同海况下主动升沉补偿控制系统的补偿特性,绘制了负载在升沉补偿作用下的位移响应曲线及补偿时电机转速响应曲线,并与无升沉补偿作用下的仿真结果进行对比。仿真结果表明,该主动升沉补偿控制系统具备理想的补偿精度。将主动升沉补偿控制系统应用于海洋绞车进行模拟试验,得到了电驱动海洋绞车主动升沉补偿控制系统在四级模拟海况下的试验数据。试验结果表明该主动升沉补偿控制系统满足补偿能力设计要求。研究可为海洋绞车主动升沉补偿控制系统补偿性能的改进与完善提供参考。     

基于R-FCN_ResNet的深海冷泉区生物的识别与分布研究

针对深海冷泉生物数量多、密度大、特征低,人工识别它们的种类和数取它们的数量耗时费力且准确度低这一问题,利用残差学习块,改进了基于区域的全卷积网络算法,用以深海冷泉生物的自动识别与检测。首先,构建了一组包括5类目标生物的深海冷泉生物图像目标检测数据集;然后,在TensorFlow框架下对比了R-FCN_ResNet、Faster R-CNN和SSD_MobileNet三种典型的卷积神经网络算法。从训练耗损时间、平均检测速度、平均置信度三方面权衡,突出了R-FCN_ResNet模型的优势;最后,将测试集图片输入至该模型中检测深海冷泉生物的种类和数量,并且以此复现了生物的分布情况。实验证明,所提方法结合本文数据集进行的深海冷泉生物识别与分布研究,是有效可行的,且具有较高的目标分类和定位准确率。     

深海采矿系统长距离垂直输运管道力学性能研究

深海采矿系统中的长距离垂直输运管道在工作中具有复杂的流固耦合力学特性,在生产作业中其结构安全性和可靠性面临严峻考验。建立深海采矿系统从海底到水面的完整模型,采用集中质量法对于其中的长距离垂直输运管道的环境载荷进行了研究,并将计算结果与模型试验测量值进行对比验证,重点分析管道顶部轴向张力和剪力的大小关系以及变化规律。分析结果表明:在深海采矿系统的长距离垂直输运管道中,轴向张力在结构载荷占主要成分,由波浪引起的结构轴向张力增加会达到管体自重的38%～48%。因此,选择合适的作业工况对降低结构载荷,加强结构安全性能有很大帮助。     

Gap size effect on the tribological characteristics of the roller for deep-sea mining robot

To design the deep-sea mining robot, it is essential to analyze the tribological characteristics of its roller. In this study, we introduced the dynamic simulation model to analyze the tribological characteristics of the roller for deep-sea mining robot, considering the temperature, viscosity, viscous damping force, and gap size between the inner and outer rib seals. Effective viscosity changes with gap size in micro/nanoscale while the effective viscosity is equal to the kinematic viscosity in macroscale. For the stable operation of the roller, the effective viscosity must be less than the critical viscosity. As the gap size decreases, the effective viscosity increases while the critical viscosity decreases. This study shows that the gap size between the inner and outer rib seals of roller is the most dominant factor in designing the roller for deep-sea mining robot to use at relatively low temperatures that are found in the deep-sea environments.     

深水浮式平台垂荡运动与水下柔性立管涡激振动的动力耦合

基于有限元数值模拟,进行了"平台垂荡-顶张力立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟。动响应模型考虑了立管尾迹流场的水动力与结构动力的耦合和垂荡引起的立管结构刚度的时变特性;分析了平台垂荡运动的频率、模态阶数等因素对水下顶张力立管涡激振动的影响。数值结果表明:与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移会增大;立管响应幅值随着模态阶数的降低而增大;在响应过程中,尤其对于低阶模态,会出现响应的模态转换现象。鉴于在平台垂荡和涡激振动的共同作用下,立管的动响应会大于涡激振动、参数激励分别单独作用的响应,建议在立管实际工程设计中应该考虑平台运动和涡激振动耦合激励作用下的结构动响应。