D0I:10.13374/1.issnl00I53.2006.12.34 第28卷第12期 北京科技大学学报 Vol.28 No.12 2006年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2006 基于有限元和虚拟样机技术的螺纹与球铰连接 扬矿管整体水平运动 冯福璋冯雅丽张文明 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要为了研究螺纹与球铰连接两种情况下的扬矿管系统的整体水平运动，建立了螺纹连接和 球铰连接扬矿管系统的几何模型，分析了系统的受力和约束情况，并分别用有限元和虚拟样机技 术进行了4级海况时瞬时动态分析和动力学分析·结果表明：螺纹连接扬矿管系统的最大横向偏 移量较小，但是管体承受很大的弯矩：在球铰连接的系统中偏移量为6m左右，管体不受弯矩，相当 于柔性管，接头应选用耐磨性较好的材料， 关键词大洋采矿：扬矿管；球铰：螺纹连接：液动力；横向偏移 分类号P751;TD807 深海开采中数千米扬矿管及设备悬吊在采矿 移，国内外的学者做了许多探索】.在As0, 船下，由于自重及采矿船的颠簸和海浪海流的作 Chung等人的研究中，把整个扬矿管视为一根梁， 用，其受力状态十分复杂，连接装置是需要解决的 从而对扬矿管的运动进行解析求解，国内也有许 关键技术之一，各国学者对多种扬矿管结构和连 多学者对螺纹连接的扬矿管系统进行了探索可]. 接方式进行了研究.OMI试采的扬矿管采用 研究表明，以螺纹连接的扬矿管系统承受着一定 s135高强度低合金钢制成，内径为8cm,壁厚上 的弯矩，这对设备的强度和可靠性是不利的，如 下不等，管线呈上大下小的阶梯状，管接头采用螺 果采用铰接式扬矿管联接装置，便可使扬矿管只 纹连接.OMA试采的扬矿管道也是呈阶梯式结 受轴向力，不受弯矩和扭矩，相当于柔性管，这就 构，最大外径为11.75cm,壁厚为2.54cm,接头为 需要用球铰接头来代替传统的螺纹接头，本文对 管夹式，OMC0试采采用厚壁地质钻探管，内径 螺纹连接和球铰连接两种情况下在4级海况时扬 为8cm,外径为l8cm,我国在“八五”、“九五”工 矿管的横向运动进行分析比较，为确定扬矿管的 作基础上，正在准备1000m海上开采中间试验. 最佳连接方式提供理论依据 扬矿管系统是一个非线性系统，其非线性主 1 要包括大偏移引起的非线性（即几何非线性）、非 螺纹连接的扬矿管系统建模 线性约束引起的非线性以及波浪和海流引起的非 1.1几何模型 线性山.为了研究扬矿管系统在水中的受力和偏 在两种情况下的几何模型参数如表1. 表1扬矿管系统几何模型和4级海况参数 Table 1 Geometrical model and four-level oceanic condition parameters of lifting system 扬矿管每节长度/m 11 提升泵外形尺寸 950mm×6500mm 扬矿管外径/mm 219.08 提升泵在水中质量/kg 6077 扬矿管壁厚/mm 12.7 中间仓外形尺寸（长宽高） 4mX4m×6m 扬矿管材料 29CrMo44 中间仓在水中质量/g 21705 扬矿管弹性模量/GPa 210 单元数 83 扬矿管泊松比 0.3 4级海况浪高/m 2.5 扬矿管钢级 P110 4级海况周期/5 8 注：在有限元分析软件ANSYS中选用管单元模拟扬矿管 收稿日期：2005-08-10修回日期：2006-03-06 1.2约束 基金项目：国家长远发展专项资助项目(N。,DY1050302-17) 扬矿管系统的上端与升沉补偿装置的球绞卡 作者简介：冯福章(1979一)，男，博士研究生：冯雅丽(1967-)， 女，副教授 箍装置相联接，即在布放回收和采矿作业过程
基于有限元和虚拟样机技术的螺纹与球铰连接 扬矿管整体水平运动 冯福璋 冯雅丽 张文明 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 摘 要 为了研究螺纹与球铰连接两种情况下的扬矿管系统的整体水平运动建立了螺纹连接和 球铰连接扬矿管系统的几何模型分析了系统的受力和约束情况并分别用有限元和虚拟样机技 术进行了4级海况时瞬时动态分析和动力学分析．结果表明：螺纹连接扬矿管系统的最大横向偏 移量较小但是管体承受很大的弯矩；在球铰连接的系统中偏移量为6m 左右管体不受弯矩相当 于柔性管接头应选用耐磨性较好的材料． 关键词 大洋采矿；扬矿管；球铰；螺纹连接；液动力；横向偏移 分类号 P751；TD807 收稿日期：20050810 修回日期：20060306 基金项目：国家长远发展专项资助项目（No．DY105－03－02－17） 作者简介：冯福章（1979－）男博士研究生；冯雅丽（1967－） 女副教授 深海开采中数千米扬矿管及设备悬吊在采矿 船下由于自重及采矿船的颠簸和海浪海流的作 用其受力状态十分复杂连接装置是需要解决的 关键技术之一．各国学者对多种扬矿管结构和连 接方式进行了研究．OMI 试采的扬矿管采用 S135高强度低合金钢制成内径为8cm壁厚上 下不等管线呈上大下小的阶梯状管接头采用螺 纹连接．OMA 试采的扬矿管道也是呈阶梯式结 构最大外径为11∙75cm壁厚为2∙54cm接头为 管夹式．OMCO 试采采用厚壁地质钻探管内径 为8cm外径为18cm．我国在“八五”、“九五”工 作基础上正在准备1000m 海上开采中间试验． 扬矿管系统是一个非线性系统其非线性主 要包括大偏移引起的非线性（即几何非线性）、非 线性约束引起的非线性以及波浪和海流引起的非 线性［1］．为了研究扬矿管系统在水中的受力和偏 移国内外的学者做了许多探索［2－4］．在 Aso Chung 等人的研究中把整个扬矿管视为一根梁 从而对扬矿管的运动进行解析求解．国内也有许 多学者对螺纹连接的扬矿管系统进行了探索［5］． 研究表明以螺纹连接的扬矿管系统承受着一定 的弯矩这对设备的强度和可靠性是不利的．如 果采用铰接式扬矿管联接装置便可使扬矿管只 受轴向力不受弯矩和扭矩相当于柔性管．这就 需要用球铰接头来代替传统的螺纹接头．本文对 螺纹连接和球铰连接两种情况下在4级海况时扬 矿管的横向运动进行分析比较为确定扬矿管的 最佳连接方式提供理论依据． 1 螺纹连接的扬矿管系统建模 1∙1 几何模型 在两种情况下的几何模型参数如表1． 表1 扬矿管系统几何模型和4级海况参数 Table1 Geometrical model and four-level oceanic condition parameters of lifting system 扬矿管每节长度／m 11 扬矿管外径／mm 219∙08 扬矿管壁厚／mm 12∙7 扬矿管材料 29CrMo44 扬矿管弹性模量／GPa 210 扬矿管泊松比 0∙3 扬矿管钢级 P110 提升泵外形尺寸 ●950mm×6500mm 提升泵在水中质量／kg 6077 中间仓外形尺寸（长宽高） 4m×4m×6m 中间仓在水中质量／kg 21705 单元数 83 4级海况浪高／m 2∙5 4级海况周期／s 8 注：在有限元分析软件 ANSYS 中选用管单元模拟扬矿管． 1∙2 约束 扬矿管系统的上端与升沉补偿装置的球绞卡 箍装置相联接．即在布放回收和采矿作业过程 第28卷 第12期 2006年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．28No．12 Dec．2006 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2006．12．034
Vol.28 No.12 冯福璋等：基于有限元和虚拟样机技术的螺纹与球铰连接扬矿管整体水平运动 .1153, 中，当试验船产生周期性的纵、横摇摆和升沉运动 ecos0叶0.15+ 时，扬矿管系统在水下处于相对稳定，其连接形 2 e 式为球型绞接] 0.622× 1000十x 扬矿管系统的下端与中间舱的十字型联接装 1000 置相联接.即在布放回收和采矿作业时，中间舱 0.15+0.622× 1000土z 12 1000 dz+ 可在扬矿管系统下端在一定的范围内沿水平面自 由摆动，但不可沿垂直面上下运动.其联接型式 为十字型绞接。 式中，CD为阻力系数，Pw为海水密度，x为水质 中间仓与软管相连，由于软管只有100m,刚 点的水平速度，ue为海流的速度，CM为惯性力系 度很小，而且软管处于水下900m海深处，波浪可 以认为不存在，海流速度又非常小，可以不考虑软 数，》为水质点水平加速度，如为波浪的角频 管对系统的作用力]，此处作为自由端处理 率，H为波高，0是相位角，k为常数，z为整体坐 两根扬矿管之间设立固接约束 标系下海水的深度坐标. 系统模型如图1所示， 用常深度二维小振幅线性波理论计算中试系 球形卡箍装置 统所处海洋环境中水质点的速度和加速度，进而 计算各段扬矿管所受的液动力·以4级工况为 油缸 例，扬矿系统所受液动力随时间和离海平面的深 度变化关系如图2所示 扬矿管 十字型联接装置 4000 中间仓 2500 图1螺纹连接的扬矿管系统约束示意图 1000 Fig.1 Diagrammatic sketch of restraints for a lifting pipes sys- tem connected by screw joints 000-800 10 -600400 1.3受力 水深m -20000 时间s 忽略管内流体的影响，扬矿管系统主要受扬 图2总液动力随时间和水深变化三维曲线 矿管、泵和中间仓的重力以及海浪和海流引起的 Fig2 Relationship among total hydrodynamic force,time and 液动力·液动力用莫里森方程计算得出· depth below ocean surface shown by a three-dimensional curve 在中试系统所处的海洋环境中，海面流速为 0.772ms1,海底流速为0.15ms-1,用下式模 2球铰连接的扬矿管系统建模 拟海流流速随深度的变化6] e=0.15+0.622× 1000+2 12 2.1几何模型 1000 利用动态仿真软件ADAMS建立，参数与螺 式中，u为海流的速度，z为整体坐标系下海水 纹连接的几何模型参数相同，其外形结构和内部 的深度坐标 结构图见图3. 取海流方向和波浪传播方向一致，根据修正 2.2约束 后的Morison方程，作用在扬矿管水深(z2一z1) 扬矿管之间用球铰约束，保留三个转动自由 上的水平波力： 度.其余约束同螺纹连接的系统约束相同，这样 建立的几何模型自由度为248[8]. J:,2CmwD(u:十)lu,+ 2.3受力 由于液动力的计算是用数值积分的方法得 出，所以数据是离散的，为了便于在ADAMS软
中当试验船产生周期性的纵、横摇摆和升沉运动 时扬矿管系统在水下处于相对稳定．其连接形 式为球型绞接［6－7］． 扬矿管系统的下端与中间舱的十字型联接装 置相联接．即在布放回收和采矿作业时中间舱 可在扬矿管系统下端在一定的范围内沿水平面自 由摆动但不可沿垂直面上下运动．其联接型式 为十字型绞接． 中间仓与软管相连由于软管只有100m刚 度很小而且软管处于水下900m 海深处波浪可 以认为不存在海流速度又非常小可以不考虑软 管对系统的作用力［3］此处作为自由端处理． 两根扬矿管之间设立固接约束． 系统模型如图1所示． 图1 螺纹连接的扬矿管系统约束示意图 Fig．1 Diagrammatic sketch of restraints for a lifting pipes system connected by screw joints 1∙3 受力 忽略管内流体的影响扬矿管系统主要受扬 矿管、泵和中间仓的重力以及海浪和海流引起的 液动力．液动力用莫里森方程计算得出． 在中试系统所处的海洋环境中海面流速为 0∙772m·s －1海底流速为0∙15m·s －1用下式模 拟海流流速随深度的变化［6］： uc＝0∙15＋0∙622× 1000＋z 1000 12 ． 式中uc 为海流的速度z 为整体坐标系下海水 的深度坐标． 取海流方向和波浪传播方向一致根据修正 后的 Morison 方程作用在扬矿管水深（ z2－ z1） 上的水平波力： ∫ z2 z1 d F＝∫ z2 z1 1 2 CDρsw D（ ux＋ uc）｜ux＋ uc｜d z ＋∫ z2 z1 CMρsw πD 2 4 ∂ux ∂t d z ． FTotal＝∫ z2 z1 1 2 CDρsw D ωH 2 e kz cosθ＋0∙15＋ 0∙622× 1000＋z 1000 12 × ωH 2 e kz cosθ＋ 0∙15＋0∙622× 1000＋z 1000 12 d z ＋ ∫ z2 z1 CMρsw πD 2 4 × ω2H 2 e kz sinθd z ． 式中CD 为阻力系数ρsw为海水密度ux 为水质 点的水平速度uc 为海流的速度CM 为惯性力系 数 ∂ux ∂t 为水质点水平加速度ω为波浪的角频 率H 为波高θ是相位角k 为常数z 为整体坐 标系下海水的深度坐标． 用常深度二维小振幅线性波理论计算中试系 统所处海洋环境中水质点的速度和加速度．进而 计算各段扬矿管所受的液动力．以4级工况为 例扬矿系统所受液动力随时间和离海平面的深 度变化关系如图2所示． 图2 总液动力随时间和水深变化三维曲线 Fig．2 Relationship among total hydrodynamic forcetime and depth below ocean surface shown by a three-dimensional curve 2 球铰连接的扬矿管系统建模 2∙1 几何模型 利用动态仿真软件 ADAMS 建立．参数与螺 纹连接的几何模型参数相同．其外形结构和内部 结构图见图3． 2∙2 约束 扬矿管之间用球铰约束保留三个转动自由 度．其余约束同螺纹连接的系统约束相同．这样 建立的几何模型自由度为248［8］． 2∙3 受力 由于液动力的计算是用数值积分的方法得 出所以数据是离散的．为了便于在 ADAMS 软 Vol．28No．12 冯福璋等： 基于有限元和虚拟样机技术的螺纹与球铰连接扬矿管整体水平运动 ·1153·
.1154 北京科技大学学报 2006年第12期 3有限元分析及虚拟样机仿真分析 结果 首先进行的是螺纹连接扬矿管系统的有限元 瞬时动态分析，编制了ANSYS命令流程序，在时 间历程后处理器(P0ST26)中可以查看模型中指 定点的分析结果随时间的变化关系，并生成了各 个变量随时间的变化动画10. 图3球铰连接的扬矿管系统结构和球铰内部结构 螺纹连接扬矿管系统的最下端，即中间仓处 Fig.3 Diagrammatic sketch of a lifting pipes system connected 的水平位移随时间变化曲线如图4所示.可以看 by spherical joints (exploded view and unexploded view) 出：中间仓从0到200s之间，水平位移逐渐加大， 件中施加液动力，需要用曲线拟合·以4级海况 从第200s时基本上到了稳定状态，此后水平偏移 为例，水下前20根扬矿管受力随时间变化较大， 的变化量很小，其最大值为2.10m;而且中间仓 的水平偏移不呈周期性变化规律，波浪的周期性 呈正弦变化规律.用Matlab软件编制优化程序 进行正弦函数拟合，见表2，从1开始编号，第21 变化对其没有影响， 2.50r 根扬矿管以下的单元所受液动力主要受海流的影 响，海浪的影响微乎其微，基本不随时间变化，故 2.00 不再用函数拟合，而代之以计算得到的数值 1.50 表2用正弦函数拟合液动力 1.00 Table 2 Hydrodynamic force fitted with sine functions 水下第i根管 正弦拟合函数 0.50 1 1972in(π/4×L+33441)+1511 00 80160240320400 2 884.6sin(π/4×t+7497.7)十918.9 时间s 3 400.930sin(π/4×t+121.257)+671.750 图4螺纹连接扬矿系统中间仓处水平偏移量 4 182.8im(π/4×t+6718.6)+530.5 Fig.4 Horizontal displacement of intermediate bin in a lifting 83.7942in(π/4XL-4.3495)+431.5807 system connected by screwed joints 6 38.5985in(π/4×t-16.8841)+355.9232 在另一个典型位置提升泵(z=一300)处的 7 17.8726in(π/4Xt+8.2819)+296.1785 水平位移随时间变化曲线如图5所示，从0到 8 8.3206sin(x/4×1-4.2504)+248.4420 150s之间，其水平位移逐渐加大，从第150s时基 9 3.8954sin(π/4×1-4.2161)+210.0972 本上到了稳定状态，此后水平偏移的变化量很小， 其偏移量最大值为1.00m,泵处的水平偏移受到 10 -1.8339sin(π/4×L-45.0226)+179.1901 11 0.8683in(✉/4×1-4.1483)+154.2031 1.250 12 -0.4134in(π/4×1-13.5406)十133.9422 1.000 mmwmwwwwwwM 13 -0.1978in(π/4×-7.2264)+117.4637 0.750 14 0.0952sin(x/4×1-10.3386)+104.0202 斗 0.500 15 -0.0460sin(x/4×-7.1697)+93.0190 16 0.0217sin(x/4×t-4.2312)+83.9889 0.250 公 0.0080sin(✉/4×1-4.8104)+76.5565 80一160240320400 时间s 18 -0.0023sin(π/4×1-6.8908)+70.4220 19 -0.0011in(π/4×L-6.1142)+65.3457 图5螺纹连接扬矿系统提升泵处水平偏移量 20 0.0005sin(x/4×t-4.923)+61.1367 Fig.5 Horizontal displacement of pump in a lifting system con nected by screwed joints
图3 球铰连接的扬矿管系统结构和球铰内部结构 Fig．3 Diagrammatic sketch of a lifting pipes system connected by spherical joints （exploded view and unexploded view） 件中施加液动力需要用曲线拟合．以4级海况 为例水下前20根扬矿管受力随时间变化较大 呈正弦变化规律．用 Matlab 软件编制优化程序 进行正弦函数拟合见表2从1开始编号．第21 根扬矿管以下的单元所受液动力主要受海流的影 响海浪的影响微乎其微基本不随时间变化故 不再用函数拟合而代之以计算得到的数值． 表2 用正弦函数拟合液动力 Table2 Hydrodynamic force fitted with sine functions 水下第 i 根管 正弦拟合函数 1 1972sin（π／4× t＋33441）＋1511 2 884∙6sin（π／4× t＋7497∙7）＋918∙9 3 400∙930sin（π／4× t＋121∙257）＋671∙750 4 182∙8sin（π／4× t＋6718∙6）＋530∙5 5 83∙7942sin（π／4× t－4∙3495）＋431∙5807 6 38∙5985sin（π／4× t－16∙8841）＋355∙9232 7 17∙8726sin（π／4× t＋8∙2819）＋296∙1785 8 8∙3206sin（π／4× t－4∙2504）＋248∙4420 9 3∙8954sin（π／4× t－4∙2161）＋210∙0972 10 －1∙8339sin（π／4× t－45∙0226）＋179∙1901 11 0∙8683sin（π／4× t－4∙1483）＋154∙2031 12 －0∙4134sin（π／4× t－13∙5406）＋133∙9422 13 －0∙1978sin（π／4× t－7∙2264）＋117∙4637 14 0∙0952sin（π／4× t－10∙3386）＋104∙0202 15 －0∙0460sin（π／4× t－7∙1697）＋93∙0190 16 0∙0217sin（π／4× t－4∙2312）＋83∙9889 17 0∙0080sin（π／4× t－4∙8104）＋76∙5565 18 －0∙0023sin（π／4× t－6∙8908）＋70∙4220 19 －0∙0011sin（π／4× t－6∙1142）＋65∙3457 20 0∙0005sin（π／4× t－4∙923）＋61∙1367 3 有限元分析及虚拟样机仿真分析 结果 首先进行的是螺纹连接扬矿管系统的有限元 瞬时动态分析编制了 ANSYS 命令流程序在时 间历程后处理器（POST26）中可以查看模型中指 定点的分析结果随时间的变化关系并生成了各 个变量随时间的变化动画［9－10］． 螺纹连接扬矿管系统的最下端即中间仓处 的水平位移随时间变化曲线如图4所示．可以看 出：中间仓从0到200s 之间水平位移逐渐加大 从第200s 时基本上到了稳定状态此后水平偏移 的变化量很小其最大值为2∙10m；而且中间仓 的水平偏移不呈周期性变化规律波浪的周期性 变化对其没有影响． 图4 螺纹连接扬矿系统中间仓处水平偏移量 Fig．4 Horizontal displacement of intermediate bin in a lifting system connected by screwed joints 图5 螺纹连接扬矿系统提升泵处水平偏移量 Fig．5 Horizontal displacement of pump in a lifting system connected by screwed joints 在另一个典型位置提升泵（ z ＝－300）处的 水平位移随时间变化曲线如图5所示．从0到 150s 之间其水平位移逐渐加大从第150s 时基 本上到了稳定状态此后水平偏移的变化量很小 其偏移量最大值为1∙00m．泵处的水平偏移受到 ·1154· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第12期
Vol.28o.12 冯福璋等：基于有限元和虚拟样机技术的螺纹与球铰连接扬矿管整体水平运动 .1155. 波浪的周期性变化的影响而有一定的波动 统，扬矿管只受轴向力，不受弯矩，相当于柔性管 水下第1根管在螺纹连接系统下的x方向 上的偏移如图6所示，呈明显的周期性变化，但 偏移较小，其最大偏移仅为140mm,其所受的弯 矩最大值为8400Nm, 1.6 200 时间s 0.8 长 图9水下第一根管在球铰连接下的水平偏移量 0.4 Fig.Horizontal displacement of the first pipe under sea level 80 160240320 400 in a lifting system connected by spherical joints 时间s 4 图6螺纹连接扬矿系统水下第一根管的水平偏移量 结论 Fig.6 Horizontal displacement of the first pipe under sea level (1)以螺纹连接的扬矿管系统虽然横向偏移 in a lifting system connected by screwed joints 较小，但管体承受着一定的弯矩[6]，这对设备的 如前所述，球较连接的扬矿管系统模型利用 强度和可靠性是不利的.如果采用铰接式扬矿管 动态仿真软件ADAMS建立，模型自由度为248. 联接装置，便可使扬矿管只受轴向力，不受弯矩和 图7表示了在球较状态下中间仓在水平方向上的 扭矩，相当于柔性管，这就需要用球铰接头来代 偏移.偏移在总体上呈周期性变化，周期明显大 替传统的螺纹接头，研究结果表明，这种情况下 于海浪的周期，大约为50s:最大偏移量为6m 系统的横向偏移稍大，在4级海况下偏移最大量 泵处在球铰连接下的x方向上的偏移如图8所 为6m,虽然比螺纹连接的情况偏移大，但是总体 1000 偏移角度仍然很小. 0 (2)以螺纹连接的扬矿管系统在水深300m E-1000 -2000 以下的水平偏移量在增加到一定值后有稳态趋 -3000 势，而以铰接连接的扬矿管联接装置在中间仓处 -4000 -5000 的水平偏移仍然是随时间周期性变化的，但是周 -6000 100 200 300 期比波浪的周期大得多，所以在扬矿管球铰接头 时间/s 的设计中，要注意材料的耐磨性能 图7球铰连接时中间仓的水平偏移量 参考文献 Fig.7 Horizontal displacement of intermediate bin in a lifting system connected by spherical joints [1]肖林京，张文明，方湄.。深海采矿扬矿管非线性动态特性 研究.煤炭学报，2002,22(4)：417 [2]Kaew unruen S.Chiravatchradej J.Chucheepsakul S.Nonlin- 300 ear free vibrations of marine risers/pipes transporting fluid. 000 0 cean Eng.2005,32.417 - 500 [3]Lampictti FJ.Pendulation of pipes and cables in water.JEng -2000 Ind.1964,20(3):299 -2500 [4]Sanders JV.A three dimensional dynamic analysis of a towed -30006 200 300 system.Ocean Eng.1982.9(5):483 时间/s [5)冯雅丽，张文明，俞沽·深海矿管横向运动特性.有色金属， 2002,54(3):120 图8泵处在球铰连接下的水平偏移量 [6们肖林京.深海采矿扬矿管运动学和动力学特性研究[学位 Fig.8 Horizontal displacement of pump in a lifting system con- 论文]北京：北京科技大学，2002：22 nected by spherical joints [7]冯福璋，冯雅丽，张文明.新型扬矿管接头的设计和强度分 示.水下第1根管在球铰连接下的x方向上的偏 析.矿治工程，2005(12)：19 移如图9所示，其最大偏移仅为140mm,与螺纹 [8]肖田元，韩向利，张林腿虚拟制造内涵及其应用研究.系 统仿真学报，2001(1)：118 连接系统的数值近似，而球铰连接的扬矿管系 [9]Iwata K.Onosato M.Virtual manufacturing systems as ad-
波浪的周期性变化的影响而有一定的波动． 水下第1根管在螺纹连接系统下的 x 方向 上的偏移如图6所示．呈明显的周期性变化但 偏移较小其最大偏移仅为140mm其所受的弯 矩最大值为8400N·m． 图6 螺纹连接扬矿系统水下第一根管的水平偏移量 Fig．6 Horizontal displacement of the first pipe under sea level in a lifting system connected by screwed joints 如前所述球铰连接的扬矿管系统模型利用 动态仿真软件 ADAMS 建立模型自由度为248． 图7表示了在球铰状态下中间仓在水平方向上的 偏移．偏移在总体上呈周期性变化周期明显大 于海浪的周期大约为50s．最大偏移量为6m． 泵处在球铰连接下的 x 方向上的偏移如图8所 图7 球铰连接时中间仓的水平偏移量 Fig．7 Horizontal displacement of intermediate bin in a lifting system connected by spherical joints 图8 泵处在球铰连接下的水平偏移量 Fig．8 Horizontal displacement of pump in a lifting system connected by spherical joints 示．水下第1根管在球铰连接下的 x 方向上的偏 移如图9所示．其最大偏移仅为140mm与螺纹 连接系统的数值近似．而球铰连接的扬矿管系 统扬矿管只受轴向力不受弯矩相当于柔性管． 图9 水下第一根管在球铰连接下的水平偏移量 Fig．9 Horizontal displacement of the first pipe under sea level in a lifting system connected by spherical joints 4 结论 （1） 以螺纹连接的扬矿管系统虽然横向偏移 较小但管体承受着一定的弯矩［6］这对设备的 强度和可靠性是不利的．如果采用铰接式扬矿管 联接装置便可使扬矿管只受轴向力不受弯矩和 扭矩相当于柔性管．这就需要用球铰接头来代 替传统的螺纹接头．研究结果表明这种情况下 系统的横向偏移稍大在4级海况下偏移最大量 为6m虽然比螺纹连接的情况偏移大但是总体 偏移角度仍然很小． （2） 以螺纹连接的扬矿管系统在水深300m 以下的水平偏移量在增加到一定值后有稳态趋 势而以铰接连接的扬矿管联接装置在中间仓处 的水平偏移仍然是随时间周期性变化的但是周 期比波浪的周期大得多．所以在扬矿管球铰接头 的设计中要注意材料的耐磨性能． 参 考 文 献 ［1］ 肖林京张文明方湄．深海采矿扬矿管非线性动态特性 研究．煤炭学报200222（4）：417 ［2］ Kaewunruen SChiravatchradej JChucheepsakul S．Nonlinear free vibrations of marine risers／pipes transporting fluid． Ocean Eng200532：417 ［3］ Lampietti F J．Pendulation of pipes and cables in water．J Eng Ind196420（3）：299 ［4］ Sanders J V．A three dimensional dynamic analysis of a towed systemOcean Eng19829（5）：483 ［5］ 冯雅丽张文明俞洁．深海矿管横向运动特性．有色金属 200254（3）：120 ［6］ 肖林京．深海采矿扬矿管运动学和动力学特性研究 ［学位 论文］．北京：北京科技大学2002：22 ［7］ 冯福璋冯雅丽张文明．新型扬矿管接头的设计和强度分 析．矿冶工程2005（12）：19 ［8］ 肖田元韩向利张林 ．虚拟制造内涵及其应用研究．系 统仿真学报2001（1）：118 ［9］ Iwata KOnosato M．Virtual manufacturing systems as adVol．28No．12 冯福璋等： 基于有限元和虚拟样机技术的螺纹与球铰连接扬矿管整体水平运动 ·1155·
,1156 北京科技大学学报 2006年第12期 vanced information infrastructure for integrating manufacuring [10]赵雯，王维平，朱一凡，等.协同虚拟样机技术研究.系统 resources and activities.CIRP Ann.1997.46(1):110 仿真学报，2001(1)：128 Lateral movement of lifting strings connected by screwed joints and spherical joints in deep sea by finite element analysis and virtual prototype technology FENG Fuzhang,FENG Yali,ZHANG Wenming Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI To study the lateral movement of pipe strings connected by screwed joints and spherical joints in deep sea,this paper built the models of the pipe strings and made comparison of their horizontal displace- ments.Under the four-level oceanic condition,the transiently dynamic and kinetic analyses of the pipe strings were carried out by finite element method and virtual prototype technology.The results show that the maximum lateral displacement of pipe strings connected by screwed joints is 2.1m,and the maximum moment in this system is 8400 N'm.While the maximum lateral displacement of pipe strings connected by spherical joints is 6.0m,the moment in this system is zero,and the pipe strings can be considered as flexi- ble pipes which can bear large axial force.Since the lateral movement of buffer periodically changes with time and its period is much longer than that of the waves,materials with better wearability are more suit- able for spherical joint-connected pipe strings. KEY WORDS ocean mining:pipe strings;spherical joint;screwed joint;hydrodynamic force;lateral dis- placement
vanced information infrastructure for integrating manufacuring resources and activities．CIRP Ann199746（1）：110 ［10］ 赵雯王维平朱一凡等．协同虚拟样机技术研究．系统 仿真学报2001（1）：128 Lateral movement of lifting strings connected by screwed joints and spherical joints in deep sea by finite element analysis and virtual prototype technology FENG Fuz hangFENG Y aliZHA NG Wenming Civil and Environmental Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT To study the lateral movement of pipe strings connected by screwed joints and spherical joints in deep seathis paper built the models of the pipe strings and made comparison of their horizontal displacements．Under the four-level oceanic conditionthe transiently dynamic and kinetic analyses of the pipe strings were carried out by finite element method and virtual prototype technology．The results show that the maximum lateral displacement of pipe strings connected by screwed joints is2∙1mand the maximum moment in this system is8400N·m．While the maximum lateral displacement of pipe strings connected by spherical joints is6∙0mthe moment in this system is zeroand the pipe strings can be considered as flexible pipes which can bear large axial force．Since the lateral movement of buffer periodically changes with time and its period is much longer than that of the wavesmaterials with better wearability are more suitable for spherical joint-connected pipe strings． KEY WORDS ocean mining；pipe strings；spherical joint；screwed joint；hydrodynamic force；lateral displacement ·1156· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第12期
