集矿机履齿行走作用下深海底质土加载速率效应研究
批准号:
12072309
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
马雯波
依托单位:
学科分类:
岩体力学与土力学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
马雯波
中文摘要
本项目瞄准深海土力学领域国际研究前沿,面向我国深海资源开发中长期发展战略需求,针对目前深海底质土测试过程中忽略加载速率效应问题(U型曲线效应),首次综合运用流变理论、接触理论、计算流体理论和离散元理论,开展集矿机履齿行走作用下深海底质土加载速率效应研究。利用流变理论和接触理论,结合原子力显微镜二次开发平台,针对太平洋C-C矿区土颗粒在海水环境中的细观流变特性开展研究,同时考虑深海高压高盐环境对颗粒间胶结特性影响,建立含流变和胶结特性的细观接触力学模型;基于离散元+计算流体力学平台,开发含流变和胶结特性的细观接触力学计算程序,结合高速加载三轴试验平台,分析不同加载速率下土中孔隙水压力的变化,揭示深海底质土加载速率效应产生机理及影响因素,建立精确的水-力耦合非线性率效应本构模型,获得最佳和最危险行走速度区间,以保障集矿机行走安全。本研究结果对促进我国深海采矿技术进步具有重要的理论和实际意义。
英文摘要
This project focuses on the international cutting edge of deep-sea sediment mechanics, and aims at the mid- and long-term development strategic needs of deep-sea resource development. Since loading rate effect (U-shaped curve effect) was not considered under current deep-sea sediment testing process, rheological theory, contact theory, computational fluid theory and discrete element theory are carried out comprehensively to study on the rate effect of deep-sea sediment under the walking action of mining machine. Based on the second-development platform of the Atomic Force Microscope, the meso rheological characteristics of the deep-sea soil particles from the Pacific C-C mining area would be studied in the seawater environment using the rheological theory and contact theory, meanwhile the bonding characteristics between particles produced by the high pressure and high salt deep-sea environment would be studied to establish meso contact mechanics models of particles with rheological and bonding characteristics. Then meso-mechanical programs of particles with rheological and bonding characteristics would be developed on the discrete element platform, and water pressure in deep-sea sediment would be analyzed at different loading rates based on the coupling platform of discrete element theory and computational fluid theory. Combining with high-speed triaxial experiment platform, mechanism and influencing factors of rate effect on deep-sea sediment would be revealed and an accurate constitutive model of hydro-mechanical nonlinear rate effect would be established to obtain the best and dangerous walking speed range, which guarantees the safety of the mining machine. The results of this study have important theoretical and practical significance for promoting the development of deep-sea mining technology in China.
本项目面向我国深海资源开发中长期发展战略需求,针对集矿机行走、矿石输运等采矿系统安全运行问题,首次综合运用流变理论、接触理论、计算流体理论和离散元理论,集矿机履齿行走作用下深海底质土加载速率效应和管道矿石输运研究。(1)基于原子力显微镜探针修饰平台,针对太平洋C-C矿区土颗粒在海水环境中的细观力学特性进行研究,构建了深海沉积物颗粒间细观接触力学模型,并以此开展集矿机履齿切削仿真,揭示了集矿机履齿-深海底质土相互作用机制;(2)针对集矿机行走振动对深海沉积物的加载速率效应开展研究,首次提出了集矿机行走振动作用下非均匀深海底质土的热-水-力耦合动力响应模型,揭示了不同频率、荷载幅值、行走速度下深海底质土动力响应特性,探明了孔隙水压力和有效应力变化规律及其固液转变机理;(3)针对深海多金属结核矿石,首次开展其破碎特性研究,系统研究了矿石的裂纹演化及破碎机理,并以此开展其管道输运特性研究,首次揭示了复杂流道和强制流场内大颗粒矿石-流体-固体边壁耦合作用机制,建立了水力提升系统的矿石输运模型,为水力提升系统的优化设计提供了理论支撑;(4)考虑深海采矿立管焊接材料相变特性开展其焊接特性研究,结合改进的盲孔测试法获得防腐蚀金属焊接残余应力控制技术,并以此优化了采矿立管的焊接质量。研究结果对促进我国深海采矿技术进步具有重要的理论和实际意义。以第一作者或通讯作者发表学术论文19篇,其中SCI论文17篇,EI论文1篇。授权国家发明专利1项,软件著作权2项,出版湖南省地方标准1项,参与出版学术著作1项。参加高水平国际会议2次、国内会议11次(其中邀请报告7次)。培养博士研究生1名、硕士研究生12名。
深海底质土宏细观界面力学特性研究
-
批准号:2019JJ50625
-
项目类别:省市级项目
-
资助金额:0.0万元
-
批准年份:2019
-
负责人:马雯波
-
依托单位:
基于深海底质土细观粘附特性分析的仿生履齿自清洁机理研究
-
批准号:11502226
-
项目类别:青年科学基金项目
-
资助金额:22.0万元
-
批准年份:2015
-
负责人:马雯波
-
依托单位:
国内基金
海外基金