基于蛟龙号的深海矿物切割割取样装置的设计与研究

摘要

随着陆地资源的日益匮乏，深海矿石开采和采样成为了各国研究的新重点。随着ROV技术的发展和成熟，采用深潜器进行深海采样成为一种深海探测的趋势。我国蛟龙号海试成功，目前已投入航次使用，针对深海钴结壳和多金属硫化物的采样，对可搭载蛟龙号的新型采样设备的研究有重要现实意义。
　　论文首先阐述了深海矿石采样设备的研究和发展，根据深海作业工况和要求设计一种电驱动深海切割刀，将ROV机械手与作业工具看作深海切割采样系统，并完成整体的三维建模。
　　论文对深海切割刀的传动系统、动静密封以及主要零部件进行选型与设计，运用Ansys有限元软件完成了切割刀O型圈开槽设计，电机控制元件封装筒体的耐压性能分析和外置压力补偿器的计算。
　　通过对几种不同作业姿态时蛟龙号潜水器本体的受力进行分析，得到不同切割姿态时潜水器所能承受的极限载荷，对潜器的坐底定位和切割作业的操作时抓持切割刀的姿态具有指导作用。通过LS-dyna对深海切割刀选取的刀具深海矿石切割过程进行模拟，分析切割不同形态矿石的受力状况和切割矿石规律，通过与蛟龙号能承受的极限载荷做比较，优选切割刀转速。通过Fluent流体分析软件对圆锯片在深海工况下转动的流场及水阻进行分析，研究不同海深和不同转速下锯片水阻的变化规律，通过Ansys对锯片和输出轴进行模态分析，得到其频率和振型，对金刚石圆锯片在深海采矿中的运用和切割刀搭载蛟龙号完成深海作业具有重要的现实意义。
　　论文通过D-H法对机械手进行正解和逆解，研究了切割采样系统的工作空间和轨迹，比较搭载作业工具前后的作业空间变化，通过ADAMS运动学分析软件对不同抓持切割刀姿态下的机械手的力矩和受力进行分析，优选机械手抓持姿态，对未来作业工具搭载潜水器进行深海作业时调整机械手姿态提供依据。

目录

1 绪论

1.1研究背景与意义

1.2深海矿石采样的研究现状

1.3 论文主要研究内容

2 切割刀结构设计与分析

2.1 引言

2.2 结构选型

2.3深海切割采样系统结构设计

2.4 切割刀主要部件设计与分析

2.5 电机控制元器件封装

2.6 压力补偿器选型及计算

2.7 本章小结

3 基于Hypermesh/LS-dyna切割刀受力分析

3.1 引言

3.2 切割系统受力理论分析

3.3 LS-dyna算法与工况分析

3.4 模型建立与网格划分

3.5 结果分析

3.6 本章小结

4 基于有限元的刀具水阻与模态分析

4.1 引言

4.2 锯片水阻理论分析

4.3 数学物理模型建立

4.4 边界条件设置与求解

4.5 模态分析

4.6 本章小结

5 基于Matlab的切割系统作业空间模拟分析

5.1 引言

5.2机械手运动学求解

5.3机械手Matlab工作空间模拟

5.4本章小结

6基于ADAMS的机械手受力分析

6.1 引言

6.2 分析步骤与过程

6.3 四种姿态模型建立与加载

6.4 结果分析

6.5 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

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