深海采矿转臂虚拟建模及其动力学分析

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1、深海采矿转臂虚拟建模及其动力学分析深海采矿技术在未来将成为制约国家经济发展的的一个因素， 将是一个国家综合国力的反映， 所以对多金属结核采集技术的研究成为世界各国竞争的焦点。 目前研究的多金属结核采集系统， 没有一种能使用商业化开采。其存在的问题主要集中在深海集矿车上的采集机构与行走机构无法适应海底地形， 从而使深海采矿时集矿率低、 对海底地形破坏严重、 对海底脆弱的生态环境影响大。 国家自然科学基金项目“面向深海复杂地形的采矿机构自适应海底地形原理研究” 提出转臂 - 支腿式采集方式的新型采矿机构试图解决采矿头存在的缺陷和不足，以及减少采矿车行走轨迹。 本文以新型采矿机构的采矿转臂为对象进行

2、研究 , 以最坏情况分析法对采矿转臂设计建模。然后对转臂模型在海水中姿态调整时进行动力学分析， 为开发此新型采矿机构及其转臂在海水中精确控制具有积极的理论指导意义。 本文主要研究内容归纳为： (1) 分析采矿转臂的重要机构变幅机构在空气中试验时的受力，确定其油缸驱动力的函数表示式。 以油缸在变幅过程中所受压力最大值最小化为目标建立变幅机构铰点位置的优化数学模型， 并利用遗传模拟退火算法算法求解此优化模型， 从而设计出采矿转臂的变幅机构。 (2) 根据采矿转臂的性能要求及变幅机构的数据，使用Solidworks 设计软件建立采矿转臂的三维模型。 然后采用 Workbench 对虚拟模型进行有限元

3、分析， 验证节臂在最危险工况下是否满足强度与刚度要求。并且以减少节臂质量为目的， 在该有限元模型基础上利用 workbench 优化模块对节臂板厚进行优化设计。 (3) 根据采矿转臂模型的结构、质量及转动惯量信息，应用 Kane法结合数学矢量知识建立采矿转臂在海底调整采矿姿态时其动力学方程， 并应用该动力学方程求解实例。基于 ADAMS动力学仿真软件对算例进行动力学仿真，根据仿真结果证明应用 Kane法所建立的转臂动力学模型的正确性。(4) 应用转臂动力学模型，通过实例数值计算及定量分析的方法，研究得出水动力及浮力对其动力学的影响。 根据其影响大小提出在动力学计算中可以忽略影响小的因素， 从而简化了其动力学模型。 根据其简化的动力学模型， 结合抛物线过渡的线性插值相关理论， 以变幅机构之间力矩变化幅度最小为目标函数，规划采矿转臂关节空间运动。(5)(6) (7)