单参数悬链线理论及在海洋采矿管线构形设计中的应用

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1、学校代码10530学号201510181938分类号P741;P744密级公开硕士学位论文单参数悬链线理论及在海洋采矿管线构形设计中的应用学位申请人宋晓东指导教师郭小刚邓旭辉学院名称土木工程与力学学院学科专业结构工程研究方向结构工程二〇一八年四月Single-ParameterCatenaryTheoryAndItsApplicationInMarineMinePipelineConfigurationDesignCandidateSongXiao-DongSupervisorGuoXiao-GangDengXu-HuiCollegeCollegeof

2、CivilEngineeringandMechanicsProgramStructuralEngineeringSpecializationStructuralEngineeringDegreeMasterUniversityXiangtanUniversityDateApril,2018本文受国家自然科学基金重点项目：深海金属矿产资源开采系统对复杂工作环境的响应机理研究（51434002）中国大洋协会国际海域资源调查与开发“十二五”课题：面向海试的多金属结核集矿系统研制与集成（DY125-14-T-03）深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室的共同资

3、助湘潭大学硕士学位论文摘要现行的深海采矿系统主要由采矿船（水面平台）、动力扬矿系统（管线）和动力集矿系统（履带式集矿机）三部分组成。深海采矿系统工作过程中，既要保证管线具有良好的空间构形，又要能保证管线满足强度要求。本文以深海采矿管线为研究对象，运用悬链线理论分析了深海采矿管线在不同浮球布置方案下的空间构形和张力变化，通过优选给出最优方案，为深海采矿系统管线设计提供理论依据。本文的主要内容及结论如下：（1）推导了经典悬链线方程，在悬链线经典的双参数解的基础上，引入弧长微分，经过双曲变换找到了两个参数间的显式联系，进而消去其中的一个参数，推导出用单参数超

4、越方程表示悬链线解的形式。该参数可以和悬链线曲率直径、张力显式表达，极大地简化了悬链线解的形式。（2）分析了悬链线受集中荷载和均布荷载作用时的受力状态，给出了不同工况下悬链线所满足的非线性平衡方程组。其中对竖向集中荷载和均布荷载共同作用下的等高悬链线，分别给出了半显式解法和牛顿迭代法两种算法的具体推导，对其它工况均采用牛顿迭代法。运用C语言编制了柔性管线空间构形和张力计算软件。（3）运用自行编制的计算软件，分析了竖向集中力作用下等高悬链线的非线性行为，发现了水平张力极小值的存在和悬链线构形的对称性，然后通过理论推导得到水平张力极值条件和构形对称条件。为

5、了证明理论计算的正确性，以不锈钢圆环链条为试验材料，设计了验证试验，试验结果表明理论计算正确无误。（4）以管线形态、集矿机水平阻力、浮球数量、集矿机活动范围为判据，对光电复合缆进行设计。针对50m浅海复合缆模型，根据缆的长短，对短的缆采用单拱方案，长的缆采用双拱方案，采用不同的浮球布置方案，优选给出最优方案；针对500m深海复合缆模型，采用双拱设计方案并给出浮球布置方案，优选得出最优方案。关键词：深海采矿；空间构形设计；悬链线；非线性计算；牛顿迭代法I单参数悬链线理论及在海洋采矿管线构形设计中的应用AbstractThecurrentdeep-seam

6、iningsystemismainlycomposedofthreeparts:theminingship(waterplatform),powerliftingsystem(pipeline)andpowercollectionsystem(crawlertypecollector).Duringthedeep-seaminingprocess，itshouldmakethepipelineinproperspatialconfigurationandensurethepipelinemeetthestrengthrequirements.Thisp

7、apertookthedeep-seaminingpipelineastheresearchobject.Thecatenarytheorywasusedtoanalyzethespatialconfigurationandtensionchangesofdeep-seaminingpipelinesunderdifferentfloatlayoutschemes.Theoptimalsolutionwasgivenbycomparingdifferentfloatlayoutschemes.Thisworkprovidedatheoreticalba

8、sisforthedesignofpipelinesindeepseaminingsystem