基于共节点载荷映射的深海集矿机采集头结构分析方法

1.本发明涉及计算流体力学与有限元分析技术领域，特别涉及一种基于共节点载荷映射的深海集矿机采集头结构分析方法。


背景技术：

2.传统的陆地浅层矿产资源由于广泛开采而日益枯竭，已不能满足现代社会工业生产的需求。矿产资源的开采已由陆地转向深海。深海海底蕴藏着丰富的矿产资源，如多金属结核物、多金属硫化物、富钴结壳等。其中，多金属结合物富含丰富的锰、镍、钴和铜等元素，通常位于平坦的海底，开采更为简单，是目前最具开采潜力的矿产资源之一。在深海采矿系统中，深海集矿机起到了多金属结合物采集以及与海面支撑船进行信息传输的作用。其中，采集头是深海集矿机采集深海多金属结合物的关键核心部件，现有技术中一般采用更为环保、深海适应性更强且采集效率更高的水力式采集头。在水力式采集多金属结合物时，需要产生高速水射流，会在采集头管道内产生高压。水射流快速的喷射及深海集矿机的移动，会在采集头周围产生较大的压力差。再加之恶劣的深海环境，使得采集头受到的载荷较高且复杂，较大变形会影响多金属结核物无法顺利通过，一些部位还会开裂，塑性变形等结构破坏现象。然而，目前在设计采集结构时更多的关注于它的水动力特性，而忽略了水动力作用下对采集头结构造成的影响。为了确保所设计的采集头在深海集矿过程中的结构性能，目前通常凭借工程经验、通过采用一定的安全系数或增大材料厚度等措施来进行。这些方法不仅增加了生产成本，还造成采集头的质量增加，进一步加剧了深海集矿机的在海底软泥中的沉陷。
3.因此，获得采集头在深海集矿过程时的结构性能对采集头的结构设计与优化具有重要的参考意义。采集头在深海工作时，所受载荷主要来自于海水的阻力。因此，在分析采集头结构性能需要通过流固耦合的方法，将流体力学分析中求得的水动力导入加载至固体结构力学力学模型上。目前，实现流固耦合通常的做法是在拥有不同网格大小的流-固模型之间运用插值法进行载荷信息传递。但由于网格密度的不同，使得网格节点位置不匹配，流体模型求得的载荷向固体结构模型映射的精确度较低。同时，插值法运算量高且数学理论性强，不适于在工程应用中得到广泛开展。


技术实现要素：

4.本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，通过计算流体力学模型引入固体结构力学模型的共节点载荷映射方法，精确反映流体对固体结构的作用力大小与分布，从而得到更为准确地结构性能。
5.为了达到上述目的，本发明提供了一种基于共节点载荷映射的深海集矿机采集头结构分析方法，包括如下步骤：
6.s1，将深海集矿机采集头的三维几何模型导出；
7.s2，在有限元网格划分前处理软件中对采集头的外表面进行网格进行划分，网格
划分得到的流体力学分析网格模型和结构力学分析网格模型拥有相同的节点位置；
8.s3，在计算流体力学软件中生成计算流体域并定义边界条件，构建深海集矿机采集头计算流体力学仿真模型，进行深海集矿过程水动力特性分析，获得采集头深海集矿时的水动力，将各节点所受水动力信息导出；
9.s4，在有限元网格划分前处理软件中将s3中采集头水动力映射加载至结构力学有限元仿真模型相匹配的节点上，实现水动力载荷精确加载；
10.s5，在有限元网格划分前处理软件中设置采集头的材料参数以及约束条件；
11.s6，通过求解器对采集头的结构力学有限元仿真模型进行静力学仿真分析，获得采集头在深海集矿工况下的结构性能。
12.进一步地，s2中对采集头的外表面采用二维三角形网格进行划分；在构建流体力学分析网格模型时，流体域表面与深海集矿机之间的流体域采用三维四面体网格划分；在构建结构力学分析网格模型时，采集头的薄板部件采用二维三角形网格，实体部件在外表面网格的基础上，内部生成三维四面体网格。
13.进一步地，s2中对采集头的外表面采用二维四边形网格进行划分；在构建流体力学分析网格模型时，流体域表面与深海集矿机之间的流体域采用三维六面体网格划分；在构建结构力学分析网格模型时，采集头的薄板部件采用二维四边形网格，实体部件在外表面网格的基础上，内部生成三维六面体网格。
14.进一步地，s3中所生产的计算流体域为立方体，采集头固定在流体域内，采用相对运动形式进行模拟，靠近采集头前端的流体域界面为速度入口，靠近采集头尾部的流体域界面为压力出口，流体域的其它表面为壁面；速度入口大小设置为0.2-1.2m/s，海水密度设置为1025kg/m3，动力粘度设置为0.00103kg/m
·
h。
15.进一步地，s3中各节点所受水动力信息包括节点序号、坐标、节点力大小、节点力方向。
16.本发明的上述方案有如下的有益效果：
17.本发明提供的基于共节点载荷映射的深海集矿机采集头结构分析方法，相比于现有技术来说，通过计算流体力学模型直接引入固体结构力学模型的共节点载荷映射方式，在保证网格、节点一致的前提下，由cfd仿真获得的模型节点受力信息直接加载在结构力学有限元仿真模型上，能够精确反映流体对固体结构的作用力大小与分布，即精确的反映了海水对集矿机部件作用力特征，从而得到更为准确地结构性能，可以分析得到更为准确的深海集矿机采集头在集矿工况下力学性能，对水下设备结构力学性能分析具有重要的理论指导意义和应用价值，相比于采用插值法进行载荷信息传递的方式运算量显著降低，更适用于在工程应用中开展。
18.本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
19.图1为本发明的流程框图；
20.图2为本发明的深海集矿机中采集头示意图；
21.图3为本发明的深海集矿机流体域示意图；
22.图4为本发明的深海集矿机采集头流体力学分析网格示意图；
23.图5为本发明的深海集矿机采集头结构力学分析网格示意图；
24.图6为本发明的采集头在不同速度下集矿时的水动力曲线图；
25.图7为本发明的共节点载荷映射示意图；
26.图8为本发明中经载荷映射在结构力学有限元仿真模型上的节点力示意图；
27.图9为本发明中采集头受最大水动力时的应力云图；
28.图10为本发明中采集头受最大水动力时的位移云图。
具体实施方式
29.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
30.需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
31.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
32.如图1所示，本发明的实施例提供了一种基于共节点载荷映射的深海集矿机采集头结构分析方法，包括如下步骤：
33.s1，将深海集矿机采集头的三维几何模型在建模软件、例如cad中以.step格式导出，如图2所示。
34.在本实施例中，通过立方体来表示流体域，以模拟深海集矿机采集头的周围流场。为了便于计算，采集头固定在流体域内，采用相对运动形式进行模拟。靠近采集头前端的流体域界面为速度入口，靠近采集头尾部的流体域界面为压力出口，流体域其它表面为壁面，如图3所示。
35.s2，在有限元网格划分前处理软件、例如hypermesh软件中读取深海集矿机采集头的三维几何模型，对采集头的外表面采用二维三角形网格进行划分。在构建流体力学分析网格模型时，流体域表面与深海集矿机之间的流体域采用三维四面体网格划分。在构建结构力学分析网格模型时，采集头的薄板部件网格保持不变，即仍采用二维三角形网格，实体
部件在外表面网格的基础上，内部生成三维四面体网格。最终确保网格划分得到的用于流体力学分析网格模型和用于结构力学分析网格模型拥有相同的节点位置，如图4、图5所示。
36.因此，在该步骤中划分的网格同时用于流体力学计算模型和用于结构力学计算模型，其节点位置信息得以保持完全一致。
37.当然在其它实施例中，还可以是采集头的外表面采用二维四边形网格进行划分、流体域表面与深海集矿机之间的流体域采用三维六面体网格划分、采集头的薄板部件和实体部件对应采用二维四边形网格和三维六面体网格的方案，等，此处不作具体限制。当然基于计算成本的考虑，采用二维三角形网格以及三维四面体网格的方案为更优选的方案。
38.s3，基于深海集矿机最大移动速度为1.2m/s，在cfd软件、例如fluent中，设置对应的参数，包括速度入口大小设置为0.2-1.2m/s，海水密度设置为1025kg/m3，动力粘度设置为0.00103kg/m
·
h。对采集头进行不同运动速度下集矿过程中水动力特性分析，获得水动力，如图6所示。将采集头上受最大水动力时(即速度入口大小为1.2m/s的工况)，各节点受力信息以.csv格式文件导出，该文件包含节点序号、坐标、节点力大小、节点力方向等。
39.因此，该步骤中通过获得模型中各节点的受力状况，来进行后续的结构力学分析，相比于采用插值法进行载荷信息传递的方式运算量显著降低，更适用于在工程应用中开展。
40.s4，在hypermesh软件中导入.csv格式文件，即节点受力信息，依据相对应的节点坐标将采集头受最大水动力时的各节点力映射加载至采集头结构力学有限元仿真模型中相匹配的节点上，如图7所示，从而实现在采集头结构力学有限元仿真模型上的水动力载荷精确加载，如图8所示。
41.s5：在hypermesh软件中设置采集头的材料参数，包括材料类型为各向同性弹塑性体mat1，材料为316l不锈钢，具体如表1所示，根据采集头的工作原理，相关部位设置全约束。
42.表1材料参数
[0043][0044]
s6，通过求解器、如hypermesh-optistruct对采集头的结构力学有限元仿真模型进行静力学仿真分析，获得采集头在深海集矿时受最大水动力作用下不同部件的强度与位移，如图9、图10所示，完成深海集矿机采集头结构性能分析。
[0045]
由上所述，本实施例提供的基于共节点载荷映射的深海集矿机采集头结构分析方法，相比于现有技术来说，提供了一种计算流体力学模型直接引入固体结构力学模型的共节点载荷映射方式，在保证网格、节点一致的前提下，由cfd仿真获得的模型节点受力信息直接加载在结构力学有限元仿真模型上，能够精确反映流体对固体结构的作用力大小与分布，即精确的反映了海水对集矿机部件作用力特征，从而得到更为准确地结构性能，可以分析得到更为准确的深海集矿机采集头在集矿工况下力学性能，对水下设备结构力学性能分析具有重要的理论指导意义和应用价值，相比于采用插值法进行载荷信息传递的方式运算
量显著降低，更适用于在工程应用中开展。
[0046]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于共节点载荷映射的深海集矿机采集头结构分析方法，其特征在于，包括如下步骤：s1，将深海集矿机采集头的三维几何模型导出；s2，在有限元网格划分前处理软件中对采集头的外表面进行网格进行划分，网格划分得到的流体力学分析网格模型和结构力学分析网格模型拥有相同的节点位置；s3，在计算流体力学软件中生成计算流体域并定义边界条件，构建深海集矿机采集头计算流体力学仿真模型，进行深海集矿过程水动力特性分析，获得采集头深海集矿时的水动力，将各节点所受水动力信息导出；s4，在有限元网格划分前处理软件中将s3中采集头水动力映射加载至结构力学有限元仿真模型相匹配的节点上，实现水动力载荷精确加载；s5，在有限元网格划分前处理软件中设置采集头的材料参数以及约束条件；s6，通过求解器对采集头的结构力学有限元仿真模型进行静力学仿真分析，获得采集头在深海集矿工况下的结构性能。2.根据权利要求1所述的一种基于共节点载荷映射的深海集矿机采集头结构分析方法，其特征在于，s2中对采集头的外表面采用二维三角形网格进行划分；在构建流体力学分析网格模型时，流体域表面与深海集矿机之间的流体域采用三维四面体网格划分；在构建结构力学分析网格模型时，采集头的薄板部件采用二维三角形网格，实体部件在外表面网格的基础上，内部生成三维四面体网格。3.根据权利要求1所述的一种基于共节点载荷映射的深海集矿机采集头结构分析方法，其特征在于，s2中对采集头的外表面采用二维四边形网格进行划分；在构建流体力学分析网格模型时，流体域表面与深海集矿机之间的流体域采用三维六面体网格划分；在构建结构力学分析网格模型时，采集头的薄板部件采用二维四边形网格，实体部件在外表面网格的基础上，内部生成三维六面体网格。4.根据权利要求1所述的一种基于共节点载荷映射的深海集矿机采集头结构分析方法，其特征在于，s3中所生产的计算流体域为立方体，采集头固定在流体域内，采用相对运动形式进行模拟，靠近采集头前端的流体域界面为速度入口，靠近采集头尾部的流体域界面为压力出口，流体域的其它表面为壁面；速度入口大小设置为0.2-1.2m/s，海水密度设置为1025kg/m3，动力粘度设置为0.00103kg/m
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h。5.根据权利要求1所述的一种基于共节点载荷映射的深海集矿机采集头结构分析方法，其特征在于，s3中各节点所受水动力信息包括节点序号、坐标、节点力大小、节点力方向。

技术总结
本发明提供了一种基于共节点载荷映射的深海集矿机采集头结构分析方法，包括：将深海集矿机采集头的三维几何模型导出；对采集头的外表面进行网格进行划分；构建深海集矿机采集头计算流体力学仿真模型，进行深海集矿过程水动力特性分析，获得采集头深海集矿时的水动力，将各节点所受水动力信息导出；将采集头水动力映射加载至结构力学有限元仿真模型相匹配的节点上，实现水动力载荷精确加载；设置采集头的材料参数以及约束条件；获得采集头在深海集矿工况下的结构性能。本发明能够精确反映流体对固体结构的作用力大小与分布，可以分析得到更为准确的深海集矿机采集头在集矿工况下力学性能，更适用于在工程应用中开展。更适用于在工程应用中开展。更适用于在工程应用中开展。


技术研发人员：王品健 吴佳斌 李力
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/10/7