一种深海采矿布放试验系统及其试验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种深海采矿布放试验系统及其试验方法，其中深海采矿布放试验系统，包括：试验水池，其通过人工浪流发生器模拟不同海况时的波浪；船体模型；车体模型；缆绳，其的两端分别连接于于船体模型的微型绞车和车体模型上且两者之间的连接处均设有拉力传感器，缆绳的两端之间安装有应变片；底质单元，其能够固定于试验水池的底部；瞬态载荷控制模块，其用于对车体模型进行瞬态载荷的附加。本发明专利技术可以综合的对深海采矿车布放回收过程在不同海浪条件、不同风浪条件、不同弹振受力模式以及不同海底底质的情况下进行模拟试验，从而有效提高试验的全面性和效率，且在试验过程中保障了对缆绳应力数据的高效、准确的采集。准确的采集。准确的采集。

【技术实现步骤摘要】
一种深海采矿布放试验系统及其试验方法


[0001]本专利技术涉及模拟试验用具领域，具体涉及一种深海采矿布放试验系统及其试验方法。

技术介绍

[0002]深海采矿中，采矿车采用缆绳布放，且在整个布放过程中，缆绳具有复杂的动力学响应。深海布放超长缆绳的应力特性与缆绳非线性材料属性、流体载荷、底质构造力学和边界(约束)条件等因素均密切相关，其力学机理十分复杂。
[0003]目前，研究工作仅限于初步的理论探索，对气
‑
液、固
‑
液界面耦合布放缆绳非线性瞬态动力学研究不足，其在实验室条件下的试验相似准则、模拟再现与应力波捕捉测试等关键技术尚未突破，未能实现实验室条件下的试验测试与实际海上试验，潜在规律与特性仍未知，亟待针对性开展科研攻关，以解决相关基础科学问题。
[0004]现有的试验装置存在操作不方便，试验方式单一，数据采集不全面，缺少与布放回收的缆绳在不同工况作业下的动力学响应相关的实验模型。
[0005]例如申请号为202110085557.X的专利技术专利公开了一种模拟深海采矿的试验系统及其操作方法。试验系统包括实验装置、数据采集系统和多刚体试验模型；实验装置包括主体框架、实验水池、轨道、滑块、步进电机、三轴拖动装置、波浪发生器；轨道包括纵向布置的第一轨道、横向布置的第二轨道、竖向布置的第三轨道和辅助轨道；数据采集系统包括传感器、面光源、高速相机、三角支架、计算机；多刚体试验模型包括集矿机、绳索、浮块、质量块、钢管。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种深海采矿布放试验系统及其试验方法，该试验系统及其试验方法可以综合的对深海采矿车布放回收过程在不同海浪条件、不同风浪条件、不同弹振受力模式以及不同海底底质的情况下进行模拟试验，从而有效提高试验的全面性和效率，且在试验过程中保障了对缆绳应力数据的高效、准确的采集。
[0007]本专利技术解决上述问题所采用的技术方案是：
[0008]一种深海采矿布放试验系统，包括：
[0009]试验水池，其通过人工浪流发生器模拟不同海况时的波浪；
[0010]船体模型，其能够浮于试验水池的水面上；
[0011]车体模型，其能够沉于试验水池的底部；
[0012]缆绳，其的两端分别连接于于船体模型的微型绞车和车体模型上且两者之间的连接处均设有拉力传感器，缆绳的两端之间安装有应变片；
[0013]底质单元，其能够固定于试验水池的底部；
[0014]瞬态载荷控制模块，其用于对车体模型进行瞬态载荷的附加。
[0015]作为上述技术方案的进一步改进，所述瞬态载荷控制模块包括尼龙绳、用于尼龙
绳收卷的卷扬机以及用于引导尼龙绳变向的滑轮组，尼龙绳的一端自下而上垂直连接于车体模型上，尼龙绳的另一端连接于卷扬机上，滑轮组能够可拆卸式安装于试验水池的底面上或底质单元的容纳盒内，尼龙绳绕设于滑轮组的滑轮上。
[0016]作为上述技术方案的进一步改进，所述试验水池安装有若干水下摄影机以及与水下摄影机一一对应设置的水下光源，应变片和车体模型分别位于与其相对应的水下摄影机的拍摄方向上。
[0017]作为上述技术方案的进一步改进，所述人工浪流发生器制造波浪与真实海况的波浪遵循Euler相似准则。
[0018]作为上述技术方案的进一步改进，所述车体模型上安装有六轴传感器。
[0019]本专利技术还提供了一种基于上述技术方案中任一所述深海采矿布放试验系统的试验方法，包括如下步骤：
[0020]模型布放，船体模型上的微型绞车通过缆绳将车体模型从试验水池的水面上下放入水中；
[0021]模型回收，船体模型上的微型绞车通过缆绳将车体模型从试验水池的水中拉出或从底质单元上拔出；
[0022]数据采集，通过缆绳两端与微型绞车、车体模型之间连接处的拉力传感器以及缆绳中部的应变片实现对缆绳应力的数据采集；
[0023]载荷附加，通过瞬态载荷控制模块实现对车体模型进行瞬态载荷的附加。
[0024]作为上述技术方案的进一步改进，在模型布放步骤前，所述车体模型以一定的深度压陷在底质单元中，并在模型布放步骤中，底质单元随同车体模型同向同速移动。
[0025]作为上述技术方案的进一步改进，在模型布放步骤中，所述瞬态载荷控制模块对车体模型附加瞬态载荷的方向与车体模型的移动方向相同；在模型回收步骤中，所述瞬态载荷控制模块对车体模型附加瞬态载荷的方向与车体模型的移动方向相反。
[0026]本专利技术与现有技术相比，具有以下优点和效果：
[0027](1)本专利技术能够实现水面布放/回收、水中下落/提升以及水底触底/拔出的模拟，可以综合的对深海采矿车布放回收过程在不同海浪条件、不同风浪条件、不同弹振受力模式以及不同海底底质的情况下进行模拟试验，从而有效提高试验的全面性和效率。
[0028](2)本专利技术通过缆绳上拉力传感器和应变片的设置，实现了在试验过程中对缆绳应力数据的高效、准确的采集，获得各种工况下的缆绳瞬态动力响应特性，为科研工作提供较为全面的试验数据，从而能够得出缆绳在布放过程，尤其是回收时从海底拔出，布放时采矿车触底的缆绳非线性动力学响应规律，探明缆绳失稳模式与失稳边界。
附图说明
[0029]图1是本专利技术一种深海采矿布放试验系统使用状态一的结构示意图。
[0030]图2是本专利技术一种深海采矿布放试验系统使用状态二的结构示意图。
[0031]图3是本专利技术一种深海采矿布放试验系统使用状态三过程一的结构示意图。
[0032]图4是本专利技术一种深海采矿布放试验系统使用状态三过程二的结构示意图。
[0033]其中，试验水池1，水下摄影机11，水下光源12，电磁铁13，船体模型2，车体模型3，底质单元4，深海淤泥底质41，容纳盒42，瞬态载荷控制模块5，尼龙绳51，卷扬机52，滑轮组
53，缆绳6，吊装设备7。
具体实施方式
[0034]下面结合附图并通过实施例对本专利技术作进一步的详细说明，以下实施例是对本专利技术的解释而本专利技术并不局限于以下实施例。
[0035]参见图1
‑
图3，本实施例一种深海采矿布放试验系统，包括试验水池1、船体模型2、车体模型3、底质单元4以及用于对车体模型3进行瞬态载荷附加的瞬态载荷控制模块5，所述试验水池1通过人工浪流发生器模拟不同海况时的波浪，船体模型2和车体模型3分别能够浮于试验水池1的水面上和沉于试验水池1的底部，船体模型2和车体模型3之间通过缆绳6实现连接，缆绳6的两端分别连接于于船体模型2的微型绞车和车体模型3上且两者之间的连接处均设有拉力传感器，缆绳6的两端之间安装有应变片，底质单元4能够固定于试验水池1的底部。
[0036]本实施例中，所述人工浪流发生器制造波浪与真实海况的波浪遵循Euler相似准则，可以模拟不同海况等级和不同频率、波高、波长的海浪，以及不同速度的海流以及不同波浪的组合波浪。
[0037本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深海采矿布放试验系统，其特征在于，包括：试验水池，其通过人工浪流发生器模拟不同海况时的波浪；船体模型，其能够浮于试验水池的水面上；车体模型，其能够沉于试验水池的底部；缆绳，其的两端分别连接于于船体模型的微型绞车和车体模型上且两者之间的连接处均设有拉力传感器，缆绳的两端之间安装有应变片；底质单元，其能够固定于试验水池的底部；瞬态载荷控制模块，其用于对车体模型进行瞬态载荷的附加。2.根据权利要求1所述的一种深海采矿布放试验系统，其特征在于：所述瞬态载荷控制模块包括尼龙绳、用于尼龙绳收卷的卷扬机以及用于引导尼龙绳变向的滑轮组，尼龙绳的一端自下而上垂直连接于车体模型上，尼龙绳的另一端连接于卷扬机上，滑轮组能够可拆卸式安装于试验水池的底面上或底质单元的容纳盒内，尼龙绳绕设于滑轮组的滑轮上。3.根据权利要求1所述的一种深海采矿布放试验系统，其特征在于：所述试验水池安装有若干水下摄影机以及与水下摄影机一一对应设置的水下光源，应变片和车体模型分别位于与其相对应的水下摄影机的拍摄方向上。4.根据权利要求1所述的一种深海采矿布放试验系统，其特征在于：所述人工浪流发生器制造波浪与真实海况的波...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建民，吕海宁，邓立文，孙鹏飞，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：