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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·