基于向量式有限元的深海采矿立管动力响应分析

来源：计算力学学报杂志2025年第3期北京时间：

作者：徐靖昌,郑皓,闫鸿浩,张明,王莹莹

单位：大连理工大学 工程力学系, 大连 116024,长沙矿冶研究院有限责任公司 深海矿产资源开发 利用国家重点实验室, 长沙 410012,长沙矿冶研究院有限责任公司 深海矿产资源开发 利用国家重点实验室, 长沙 410012,大连理工大学 工程力学系, 大连 116024,长沙矿冶研究院有限责任公司 深海矿产资源开发 利用国家重点实验室, 长沙 410012,中国石油大学(北京) 安全与海洋工程学院, 北京 102249

摘要：深海采矿立管是金属结核、富钴结壳、硫化物等水下金属矿产采集输送系统的重要组成部分,复杂海洋环境载荷对立管力学特性产生了不利影响。向量式有限元法是基于向量式力学的一种新的动力学分析方法,本文基于向量式有限元法编制Matlab程序对水下5000米级采矿立管进行动力响应分析,计算立管在波浪、海流等条件下的位移构型、轴向内力和弯矩分布,并将结果与Abaqus和Orcaflex结果进行对比验证,同时运用该方法进一步分析了采矿船运动、结构阻尼及内流速度对立管动力响应的影响。结果表明,采矿船运动会增大立管横向偏移及两端轴力幅值,结构阻尼会降低采矿船对立管的影响并使结构更快趋于稳定,内流则会使得立管顶端轴力减小,且减小量与内流速度正相关。同时也表明,向量式有限元法模拟采矿立管动力响应行为具有较高准确性和可行性,为深海采矿立管机理研究提供了一种新的简便的有限元方法。

关键词：深海采矿,立管,向量式有限元法,动力响应,波流载荷,内流,采矿船运动,

基金资助：国家重点研发计划(2022YFC2803705);山东省重点研发计划(2021CXGC010707);湖南省科技创新计划(2022RC3003)资助项目.