中圖分類號(hào)：TE952 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.04.003

PathOptimizationandRiserPerformanceofMiningVehiclesin Deepsea MiningSystems

DUQifei'，WANG Ning'，WANGWenbo2，LIUTong1，WANG Junhao1，MA Shengzhe，WANGYi [¹ （1.College ofSafetyand Ocean Engineering，China UniversityofPetroleum（Beijing），Beijing1O2249，China; 2.China Petroleum Technologyand Development Corporation，Beijing1Ooo28，China; 3.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 1O2249，China）

Abstract：To address the issues of unclear optimization of mining vehicle paths and frequent safety hazards in risers revealed in key technology research for deepsea mining systems，computational comparison and simulation were conducted，and the turning and collborative operation modes of mining vehicles were verified.The performance of the riser was studied.Through the calculation and analysis of mining efficiency and utilization rate of mineral-rich areas，turning outside the mineral-rich areas was more advantageous for mineral mining. The advantages and disadvantages of the collborative operation modes offour mining vehicles were compared，and the collaborative operation of the longitudinal linkage type ensured the recovery effciency.A Matlab genetic algorithm was used to optimize the path of the mining vehicles.When the mining vehicle deviated from the predetermined trajectory，two arc paths of R15 m could be automatically generated for precise and eficient correction. In the performance analysis of the riser， the relative velocity difference between the two phases was set to be 0～10m/s ，the vertical resultant force of the nodule was O，which could complete the lifting of the nodule.Ansys was used to simulate the flow around the riser，and the detachment frequency was calculated to be approximately 2.5 Hz， resulting in the Strouhal number of O.2， which verified the safety of the riser.

Key words： deepsea mining; mining vehicle; path optimization; riser performance; simulation

深海礦產(chǎn)資源，尤其是那些蘊(yùn)含于數(shù)千米水下、儲(chǔ)量豐富且富含銅、鈷、鎳等關(guān)鍵戰(zhàn)略的多金屬結(jié)核與結(jié)殼，被視為國(guó)家未來可持續(xù)發(fā)展的寶貴財(cái)富與關(guān)鍵金屬資源安全的重要保障[1]。深海采礦系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究的進(jìn)展主要分為三個(gè)階段： ① 主要是從原理研究層面以及一些樣機(jī)的研制，從技術(shù)原理上驗(yàn)證了可行性。 ② 逐漸從“研究\"轉(zhuǎn)向“工程”，即湖試及淺海海試階段，從工程實(shí)際上驗(yàn)證了可行性。③ 由淺海試驗(yàn)走向深海試驗(yàn)階段，從應(yīng)用層面驗(yàn)證可行性。

1技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀

深海礦產(chǎn)資源開發(fā)技術(shù)始于深海采礦系統(tǒng)，深海采礦系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展歷程如表1所示[2]

針對(duì)深海礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用與戰(zhàn)略規(guī)劃可以追溯到上世紀(jì)末期[3-5]。1994年，聯(lián)合國(guó)國(guó)際海底管理局正式成立5，負(fù)責(zé)管理和監(jiān)督深海海底礦產(chǎn)資源的勘探與開發(fā)；1997年，日本Jogmec公司在北太平洋馬庫(kù)斯海山區(qū)進(jìn)行了 2200m 水深的拖電式集礦機(jī)海上試驗(yàn)；2000年及2006年印度與德國(guó)Siegen大學(xué)合作采用全軟管的方式進(jìn)行了 410m 和 450m 水深的部分采礦系統(tǒng)海試；2013年，韓國(guó)研發(fā)了質(zhì)量為 25t 的“MineRo號(hào)采礦機(jī)器人”，并進(jìn)行了海底 1380m 多金屬結(jié)核的采礦試驗(yàn)工作；2017年，日本開展全球首次 1660m 水深金屬硫化物礦石連續(xù)采掘提升試驗(yàn)；2014至2020年，歐洲聯(lián)合委員會(huì)“Horizon2020”研究和創(chuàng)新計(jì)劃，計(jì)劃涉及到深海采礦和陸地采礦項(xiàng)目試驗(yàn)和裝備研發(fā)；2022年，加拿大TMC公司成功完成 5000m 級(jí)多金屬結(jié)核全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)采礦海試。

國(guó)內(nèi)深海采礦系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與國(guó)外相比起步較晚。1980年，我國(guó)開始了深海多金屬結(jié)核采礦技術(shù)研究等初步工作。2001年，長(zhǎng)沙礦山礦冶院進(jìn)行了 135m 水深部分采礦系統(tǒng)的湖試[7-8]；2016年長(zhǎng)沙礦冶院進(jìn)行了 300m 水深的場(chǎng)礦海試；2018年，開展了“鯤龍500\"采礦車的單體海上試驗(yàn);2019年，中科院深海所牽頭完成了 2500m 的集礦海試；2021年，大洋協(xié)會(huì)完成了 1306m 的采礦全系統(tǒng)海試，同年，大連理工大學(xué)組織實(shí)施了 500m 級(jí)智能混輸系統(tǒng)海上試驗(yàn)；2022年，先驅(qū)聯(lián)合上海交通大學(xué)完成“曼塔號(hào)采集海試，試驗(yàn)最大水深超過5 600m_? 。上海交通大學(xué)研制的采礦車下水及工作如圖1所示。

2 系統(tǒng)組成及作業(yè)流程

2.1 系統(tǒng)模式確定

目前采礦模式主要包括拖斗式、連續(xù)線斗式、海洋梭式和管道提升式等[9-10]，如圖2所示。不同的采礦方式對(duì)產(chǎn)量和環(huán)境的需求差異較大，通過多年研究及實(shí)際海試試驗(yàn)表明，管道提升式采礦系統(tǒng)的開采模式在行業(yè)內(nèi)認(rèn)可度最高，在開采效率和經(jīng)濟(jì)性上相對(duì)具有一定優(yōu)勢(shì)，本文以管道提升式采礦系統(tǒng)為例進(jìn)行后續(xù)的方案設(shè)計(jì)研究。

2.2 系統(tǒng)裝備組成

深海采礦系統(tǒng)裝備組成如圖3所示[I]。管道提升系統(tǒng)包括采礦車、提升管、中繼站、輸送軟管、電纜等，從水面母船下方到海底，以及從海底回收到母船，主要包括采礦車回收系統(tǒng)、立管回收系統(tǒng)、以及立管懸持張緊系統(tǒng)等。

水下采集系統(tǒng)主要設(shè)備為采礦車9，搭載雙排噴嘴水力-機(jī)械式集礦裝置，完成從海底剝離礦物結(jié)核、破碎結(jié)合物、揚(yáng)起分離物，并轉(zhuǎn)送到礦物提升系統(tǒng)。

礦物提升系統(tǒng)用于將采礦車開采的深海礦物結(jié)核提升到水面的母船上，主要包括立管系統(tǒng)、中繼站、輸送軟管系統(tǒng)、動(dòng)力泵等。

2.3 系統(tǒng)作業(yè)流程

管道提升系統(tǒng)、水下采集系統(tǒng)在采礦作業(yè)區(qū)由水面母船執(zhí)行布置，其他監(jiān)測(cè)和水下基站裝置由水面監(jiān)測(cè)船[2執(zhí)行布置。海底采礦作業(yè)時(shí)，水下采礦車行駛在富礦區(qū)海床上采集結(jié)核物，管道提升系統(tǒng)布置在水體中并由采礦母船牽引移動(dòng)航行。水下采集系統(tǒng)、管道提升系統(tǒng)、中繼站處理器依次通過礦物提升管連接，形成結(jié)核開采、提升、母船轉(zhuǎn)運(yùn)、后處理的生產(chǎn)作業(yè)線，運(yùn)輸船時(shí)刻隨采礦母船移動(dòng)，通過海面布置管道接收采礦母船傳送的多金屬結(jié)核物[13]，待運(yùn)輸船滿載后運(yùn)輸?shù)胶０?。深海采礦系統(tǒng)作業(yè)流程如圖4所示。

3采礦車路徑優(yōu)化分析

3.1轉(zhuǎn)彎方案分析

根據(jù)海底海床上礦區(qū)結(jié)核豐富度賦存特點(diǎn)[14]，目前已發(fā)展的海底采礦車轉(zhuǎn)彎方式包括富礦區(qū)域外轉(zhuǎn)彎、富礦區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)彎兩種形式。富礦區(qū)域外轉(zhuǎn)彎的方式最大限度保證了富礦區(qū)利用率的要求，但在區(qū)域外轉(zhuǎn)彎會(huì)增加非工作路徑，效率低，影響采收速度。富礦區(qū)內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎的方式提升了采礦車的工作效率和采收速度，但轉(zhuǎn)彎時(shí)無法對(duì)礦區(qū)進(jìn)行有效的開采，制約了利用率。下面針對(duì)兩種采礦車轉(zhuǎn)彎方式從工作效率和礦區(qū)利用率方面進(jìn)行計(jì)算分析。

計(jì)算采礦車工作效率和礦區(qū)利用率以富礦區(qū)長(zhǎng)度 200m 、采礦車工作路徑 200m 、采礦車轉(zhuǎn)彎半徑15m 為例進(jìn)行分析。

3.1.1富礦區(qū)域外轉(zhuǎn)彎的方式

富礦區(qū)域外轉(zhuǎn)彎方式如圖5所示。

采礦車行駛有效路徑計(jì)算式為：

S₁=L₁+L_N+C₁

即得：

S₁=200+20+2×π×15=314m

式中： S₁ 為礦車運(yùn)行單程的總路程， m;L₁ 為工作路徑， m;L_N 為非工作路徑中的直線運(yùn)動(dòng)路程， m;C₁ 為非工作路徑中的圓周運(yùn)動(dòng)路程（可近似視為完整的一周），m。

假設(shè)轉(zhuǎn)彎過程中的線速度與直線運(yùn)動(dòng)相同，則

采礦車的工作效率為：

由于采礦車工作路徑和富礦區(qū)路徑重合，則富礦區(qū)域的利用率為：

式中： η_cl 為采礦區(qū)域的利用率； η_fl 為富礦區(qū)域的利用率； D₁ 為富礦區(qū)長(zhǎng)度， m 。

3.1.2富礦區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)彎的方式

富礦區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)彎方式如圖6所示。

采礦車行駛有效路徑由公式（5）給出：

S₂=L₂+C₂

即得：

S₂=180+2×π×15≈274m

式中： S₂ 為礦車運(yùn)行單程的總路程， m;L₂ 為工作路徑路程， .m;C₂ 為非工作路徑中的圓周運(yùn)動(dòng)路程（可近似視為完整的一周）， m 。

假設(shè)轉(zhuǎn)彎過程中的線速度與直線運(yùn)動(dòng)相同，則采礦車的工作效率為：

由于采礦車工作路徑和富礦區(qū)路徑存在偏差，

則富礦區(qū)域的利用率為：

式中： η_c2 為采礦區(qū)域的利用率， η_f2 為富礦區(qū)域的利用率， D₂ 為富礦區(qū)長(zhǎng)度，m。

分析兩種轉(zhuǎn)彎方案，富礦區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)彎方式相比于富礦區(qū)域外轉(zhuǎn)彎方式雖然工作效率略有提高，但是幅度不大，富礦區(qū)利用率有所下降，而且在富礦區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)彎，會(huì)造成富礦區(qū)域海床破壞，增加后續(xù)采收的難度，因此，選取富礦區(qū)域外轉(zhuǎn)彎方式作為采礦車轉(zhuǎn)彎的作業(yè)方式更為合適。

3.2 協(xié)同作業(yè)運(yùn)動(dòng)方案分析

根據(jù)現(xiàn)實(shí)采礦高效作業(yè)的要求，實(shí)際工程中深海采礦系統(tǒng)常使用多臺(tái)采礦車協(xié)同作業(yè)，目前已發(fā)展的海底采礦車協(xié)同作業(yè)運(yùn)動(dòng)方案包括橫向聯(lián)動(dòng)式協(xié)同作業(yè)、縱向聯(lián)動(dòng)式協(xié)同作業(yè)兩種形式。下面以4臺(tái)采礦車為例對(duì)采礦車協(xié)同作業(yè)運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行分析。

3.2.1橫向聯(lián)動(dòng)式協(xié)同作業(yè)方式

橫向聯(lián)動(dòng)式協(xié)同作業(yè)方式具體實(shí)施需要將富礦區(qū)橫向分為四等份，以富礦區(qū)橫向長(zhǎng)度 800m 為例。每輛采礦車采收橫向 200m 路徑，以此方式聯(lián)動(dòng)作業(yè)時(shí)，四輛采礦車同時(shí)出發(fā)，作業(yè)路徑一致，相鄰的兩輛車的間距恒定保持為 200m ，可保證相鄰的采礦車之間不會(huì)相互干擾。此方式會(huì)導(dǎo)致采礦車單次工作有效采集路徑變短，且采礦車轉(zhuǎn)彎時(shí)，屬于在富礦區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)彎，會(huì)增加相鄰采礦車的采礦難度，此外，該方式會(huì)使相鄰的兩輛采礦車相反方向的轉(zhuǎn)彎在同一區(qū)域內(nèi)發(fā)生，會(huì)對(duì)海床的破壞加劇，污染海底環(huán)境，橫向聯(lián)動(dòng)式協(xié)同作業(yè)方式如圖7所示。

3.2.2 縱向聯(lián)動(dòng)式協(xié)同作業(yè)方式

縱向聯(lián)動(dòng)式協(xié)同作業(yè)方式具體實(shí)施需要采礦車按次序開始作業(yè)。當(dāng)前一輛采礦車出發(fā)，并走過兩輛采礦車不會(huì)互相干擾的安全間距時(shí)，下一輛采礦車開始作業(yè)。此方式可使采礦車單次工作有效采集路徑最大化，保證采收效率。此外這種方式轉(zhuǎn)彎是在富礦區(qū)域外進(jìn)行，不會(huì)對(duì)富礦區(qū)域進(jìn)行碾壓，造成采礦難度的提高，縱向聯(lián)動(dòng)式協(xié)同作業(yè)方式如圖8所示。

分析兩種協(xié)同作業(yè)方式，縱向聯(lián)動(dòng)式協(xié)同作業(yè)方式最大程度上保障了采收效率與海底環(huán)境。雖然采礦車在工作過程中可能會(huì)距離較近，但對(duì)采礦車的工作路徑進(jìn)行智能控制可確保采礦車行程按照規(guī)劃路徑進(jìn)行，不會(huì)偏離工作路線，確保采礦車的作業(yè)安全、可靠、穩(wěn)定的進(jìn)行。

3.3運(yùn)動(dòng)軌跡偏離矯正分析

深海多金屬結(jié)核開采面對(duì)超深水、超高壓力、無光、通信困難、各種海流變化等復(fù)雜環(huán)境[15]，海底采礦車在運(yùn)行過程中，隨時(shí)可能發(fā)生運(yùn)動(dòng)軌跡的偏離等情況?；贛atlab的Simulink模塊對(duì)軌跡矯正控制算法[16進(jìn)行模擬分析，當(dāng)采礦車偏離既定軌跡時(shí)，可以自動(dòng)生成兩段半徑為 15m 的圓弧路徑，進(jìn)行精準(zhǔn)高效的矯正，從而使采礦車返回目標(biāo)軌跡。

1）在Simulink模塊中進(jìn)行初始化過程，建立軌跡控制模塊，確定礦車偏離軌跡情況，如軌跡偏離距離△S，與預(yù)定軌跡偏離夾角 等。然后進(jìn)行模糊控制判別，利用模糊控制器對(duì)軌跡偏離距離 和偏離夾角 進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)值評(píng)估當(dāng)前情況是否需要生成矯正路徑。最后以模糊控制模塊為基礎(chǔ)[17]，建立模糊控制軌跡偏離判定模塊，結(jié)合其他極端偏轉(zhuǎn)情況，當(dāng)輸出為0時(shí)不生成矯正路徑的情形有： ① 當(dāng)偏離距離和夾角過小時(shí)； ② 當(dāng)車沿著當(dāng)前偏離方向行駛可以讓偏離距離迅速減小時(shí)； ③ 偏離距離或夾角過大時(shí)。

2）當(dāng)采礦車偏離既定直線軌跡時(shí)，系統(tǒng)立即調(diào)用遺傳算法[9]，按照返回和回正兩種矯正方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，分別生成兩段半徑為 15m 的圓弧，對(duì)兩個(gè)過程行駛的時(shí)間進(jìn)行遺傳優(yōu)化，以最終的偏轉(zhuǎn)角度和偏離距離的平方和為目標(biāo)函數(shù)[18]，總時(shí)間不超過 20s ，結(jié)合采礦車車速 0.8m/s ，則可得到兩段圓弧的長(zhǎng)度。其中，遺傳算法[2]的作用在于搜索目標(biāo)函數(shù)最小值，得到兩段返回的圓弧路徑分別對(duì)應(yīng)的時(shí)間，調(diào)用遺傳算法訓(xùn)練最優(yōu)轉(zhuǎn)彎解，如表2所示。

分析表2數(shù)據(jù)，調(diào)用遺傳算法訓(xùn)練最優(yōu)轉(zhuǎn)彎解，根據(jù)計(jì)算最優(yōu)解得到的時(shí)間繪制兩段圓弧路徑，再根據(jù)遺傳算法得到的返回和回正的時(shí)間，繪制出兩端圓弧路徑，如圖9所示。分為圖9a右偏左傾、圖9b左偏右傾、圖9c左偏左傾，圖9d右偏右傾4種情況。

根據(jù)仿真結(jié)果顯示，通過智能化控制算法，對(duì)于采礦車各種偏離軌跡的情況可以自動(dòng)進(jìn)行判斷并生成最優(yōu)的矯正路徑，為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的智能軌跡控制提供了一種可行的方法。

4仿真驗(yàn)證分析

4.1 運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

根據(jù)上文設(shè)定的參數(shù)條件，采礦車的轉(zhuǎn)彎半徑為 15m ，運(yùn)行速度 0.8m/s ，工作軌跡間隔 2.53m 。首先建立海底履帶式采礦車動(dòng)力學(xué)模型，在Adams中開發(fā)其快速動(dòng)力學(xué)仿真模型[22]，并與軟管及立管相連接，構(gòu)成深海采礦 5000m 海試整體系統(tǒng)快速動(dòng)力學(xué)仿真模型。設(shè)定仿真條件為采礦車整體為剛體，軟管部分為圓柱管件相鄰構(gòu)件通過球副連接，立管部分為有限元桿件，通過分別設(shè)定采礦車的運(yùn)動(dòng)軌跡和立管的運(yùn)動(dòng)速度，得到采礦過程中采礦車、軟管、立管各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系，避免其超出限度，從而確定合理的采礦方式和范圍，保證采礦過程中的安全性。采礦車運(yùn)動(dòng)仿真軌跡如圖10所示，可以看出，采礦車在海底按照預(yù)定軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過富礦區(qū)外轉(zhuǎn)彎的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，符合上文的設(shè)計(jì)計(jì)算。

采礦車運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)曲線如圖11所示，可以看出，采礦車在轉(zhuǎn)彎時(shí)運(yùn)動(dòng)速度較小且呈現(xiàn)曲線波動(dòng)，而采礦作業(yè)時(shí)直線運(yùn)動(dòng)速度較轉(zhuǎn)彎時(shí)比較大且速度相對(duì)平穩(wěn)。

4.2 提升系統(tǒng)立管動(dòng)力仿真

在Ansys中建立結(jié)核輸運(yùn)的有限元模型，然后使用Fluent流固耦合仿真模塊[23]，得到結(jié)核在水流沖擊下的受力情況，當(dāng)合力為0時(shí)，恰好能將礦石抬起，從而得到結(jié)核上升所需要的臨界壓差和水流速度，通過改變參數(shù)，設(shè)置不同流速，比較不同流速下的結(jié)核所受的壓力及豎直方向的合力（不同流速差下的結(jié)核受力特性如表3所示），得到固液兩相在不同相對(duì)速度差時(shí)的受力特性，為計(jì)算泵功率及選型提供參考，立管動(dòng)力仿真結(jié)核狀態(tài)云圖如圖12所示。

通過結(jié)核提升流固耦合仿真，分析了在不同固液兩相相對(duì)速度差下結(jié)核的受力情況。結(jié)果表明，當(dāng)兩相相對(duì)速度差在 0～1.0m/s 時(shí)，結(jié)核豎直方向合力為0，可以確保兩相流正常在管道內(nèi)提升。即得到結(jié)核平衡狀態(tài)下的受力情況，得到結(jié)核上升所需要的臨界壓差和水流速度，為計(jì)算泵功率及選型提供參考。

4.3 立管安全性分析

基于Ansys軟件的Fluent模塊對(duì)立管繞流進(jìn)行的模擬仿真分析[24]。由于表層洋流速度能達(dá)到0.3＼～1.5m/s ，遠(yuǎn)大于深層洋流的流速，且主要分布在海面深1.0～3.0m 的水層，可以將該問題近似轉(zhuǎn)化為平面二維問題。通過設(shè)定管徑為 0.24m ，表層洋流流速取最大值 1.5m/s ，此時(shí)雷諾數(shù)為120000，處于過渡區(qū)，斯特勞哈爾數(shù)也不在0＼～0.2范圍內(nèi)，難以直接得到渦旋脫落頻率。因此建立了基于Fluent的數(shù)值仿真模型，采用 k-w 模型SST計(jì)算方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，立管繞流穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果如圖13所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，得到脫落頻率約為 2.5Hz ，斯特勞哈爾數(shù)為0.2。但由于對(duì)深海立管固有頻率需要考慮立管頂端平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)、立管的軸向張力變化，以及流體力的影響，還需進(jìn)一步通過專業(yè)的計(jì)算軟件進(jìn)行模擬和分析。與脫落頻率進(jìn)行比較，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行研究以避免共振，并最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證，完成優(yōu)化立管的設(shè)計(jì)，確保其在預(yù)期的海洋環(huán)境中能夠安全可靠地運(yùn)行。

4.4彎管侵蝕速率仿真

深海采礦系統(tǒng)管道提升多金屬結(jié)核過程中，彎管處相較于直管處兩相流具有更大的速度和能量，加快了彎管的侵蝕[25]。下面結(jié)合彎管侵蝕速率研究理論進(jìn)行模模擬仿真，為管道提升系統(tǒng)中彎管的設(shè)計(jì)提供參考。

離散元模型理論公式為：

式中： m_p 為顆粒的質(zhì)量， 為顆粒單位時(shí)間內(nèi)速度的變化值， ΣF 為作用在顆粒上的合力。

該理論公式本質(zhì)為離散元的牛頓第二定律。

阻力與黏度，顆粒大小和兩相速度差的關(guān)系式為：

F_d=3πμd_p（v_f-v_p）

式中： F_d 為顆粒受到的阻力 ，μ 為流體的黏度， d_p 為顆粒的直徑， v_f 為流體的速度， v_p 為顆粒的速度。

侵蝕速率和密度，顆粒速度和碰撞角度的關(guān)系式為：

E=cρ_pv_pⁿ（sinθ）^m

式中： E 為侵蝕速率， c 為修正系數(shù) S_p 為顆粒的密度，θ 為顆粒的碰撞角度， n 為速度指數(shù)， m 為由試驗(yàn)確定的常數(shù)。

基于以上彎管侵蝕速率研究理論基礎(chǔ)，通過使用Fluent離散元[26]模塊DPM（Discrete Phase Model），仿真出彎管處礦石的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，再利用侵蝕算法模塊，得到固液兩相流作用下彎管的侵蝕速率。管道彎曲處顆粒的運(yùn)動(dòng)路徑和管壁侵蝕速率仿真結(jié)果如圖14＼～15所示。

仿真結(jié)果表明，彎管處管內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)變化角度、法向速度和加速度相較直管大幅提升，導(dǎo)致管壁的侵蝕速率更快，侵蝕效果更明顯。

5結(jié)論

1）在分析深海采礦系統(tǒng)主要構(gòu)成和作業(yè)流程的基礎(chǔ)上，綜合考慮采礦系統(tǒng)各部分的功用，采用有限元法對(duì)采礦車運(yùn)動(dòng)軌跡、彎管侵蝕速率進(jìn)行了模擬仿真分析。通過對(duì)采礦車不同轉(zhuǎn)彎方式和協(xié)同作業(yè)方式的深入對(duì)比分析，并對(duì)采礦系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化性能分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)深海采礦系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的初步優(yōu)化。

2）從采礦車運(yùn)動(dòng)軌跡偏離矯正分析中得出，采礦車運(yùn)動(dòng)偏離主要由偏離距離和偏離角度兩個(gè)參數(shù)來確定，基于Matlab的Simulink模塊對(duì)軌跡矯正控制算法進(jìn)行模擬分析，當(dāng)采礦車偏離既定軌跡時(shí)，可以自動(dòng)生成兩段半徑為 15m 的圓弧路徑，進(jìn)行精準(zhǔn)高效的矯正，通過調(diào)用遺傳算法進(jìn)行不斷的訓(xùn)練，得到了軌跡優(yōu)化的最優(yōu)解。

3）在提升系統(tǒng)立管動(dòng)力仿真中，通過改變參數(shù)，設(shè)置不同流速，比較不同流速下的結(jié)核所受的壓力及豎直方向的合力，得到固液兩相在不同相對(duì)速度差時(shí)的受力特性，同時(shí)在立管安全性分析中，確定了立管的斯特勞哈爾數(shù)，并通過對(duì)其渦旋脫落頻率的研究，驗(yàn)證了系統(tǒng)的安全性。

4）通過對(duì)深海采礦系統(tǒng)的系統(tǒng)性分析與優(yōu)化，提出了針對(duì)性強(qiáng)、可行性高的設(shè)計(jì)方案，以期為深海采礦系統(tǒng)采礦車路徑優(yōu)化和立管性能分析提供重要參考和技術(shù)支持。未來的研究可以進(jìn)一步結(jié)合智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采礦車的實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)節(jié)，提升采礦系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和整體性能。

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（編輯：馬永剛）