扬矿泵位置对深海管道谐响应动力学行为的影响

摘要

深海扬矿系统的工作环境极其复杂，目前针对扬矿系统的结构设计和各项参数还有待进一步的研究。以1 km扬矿管道为例，研究扬矿泵在不同位置时对扬矿管道动力学行为的影响。为建立合理的动力学模型，采用弹性约束代替升沉补偿装置的作用；外激励主要考虑波流联合的水平激励、波浪纵向激励、扬矿泵正常工作时产生的扭矩激励；采用能量积分法建立管道的振动方程以及用有限元方法分析扬矿泵安装在管道的不同位置时的动力学响应。结果表明：随着扬矿泵安装位置沿着管道下降，系统的固有频率呈现出由小到大，再由大到小的变化规律，而管道的最大振幅呈现出由大到小、再由小到大的变化规律；单载荷激励作用下，管道的振幅和等效应力由小到大分别为扭矩激励、波浪纵向激励、波流联合水平激励，三者联合且同相位激励时，系统谐响应显著增大；随着扬矿泵安装位置沿着管道下降，管道的最大振幅和最大等效应力响应呈现出由大到小、再由小到大的变化规律。以上结果证明，在给定的合理安装位置范围内存在振幅和等效应力的极小值，即在力学上存在最优安装位置。在研究模型的基础上，以最小等效应力为判据确定了扬矿泵在管道上的次优安装位置。通过基于谐响应分析以等效应力为判据的扬矿泵安装位置的计算方法并证明存在力学上的最优安装位置，为扬矿系统的结构设计提供了重要的参考依据。

关键词

扬矿管道 / 扬矿泵位置 / 模态分析 / 谐响应分析

基金资助

国家自然科学基金重点资助项目(No.5143002); 湖南省教育厅资助项目(No.18K028)