【文章內容簡介】 模擬分析的大型通用有限元分析軟件如在結構、流體、電場、磁場、聲場分析上?；蛘呦嗷セ旌嫌谝惑w的領域分析上都能達到很好的模擬分析計算。ANSYS Workbench和一般的計算機輔助設計軟件一樣可以建立實體模型。實體建模網格劃分。并在靜力學分析的基礎上給模型設置模擬仿真環(huán)境，即添加約束和載荷。在對比結構靜力分析和運用ANSYS Workbench模擬分析可知。靜力學僅限于研究剛體，很適合研究力對物體的結構變形影響細微可以忽略的問題，在此前提條件下求解外載荷引起的位移、應力和力。而ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。而在面對深海采礦錯綜復雜的輸運軟管非線性的力學分析上，ANSYS Workbench是在此領域最適用的軟件。結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。ANSYS Workbench實際上就是利用ANSYS來求解實際問題的新一代有限元分析平臺產品，它集合了現有的各種工程應用程序，使數據實現無縫傳遞及共享，并將有限元分析過程結合在一起提高仿真效率，提供不同的工程應用功能模塊以保證仿真模擬的通用性和精確性， ANSYS Workbench主要有限元模擬仿真流程如圖4所示。 靜力分析 建立模型 設定仿真模擬環(huán)境施加約束和載荷求解 圖4 ANSYS Workbench 模擬仿真流程圖 首先在ANSYS Design Modeler中建立輸運軟管和內部流體的有限元模型，建立模型的具體步驟如下：（也可在CAD中完成）（1）開始一個新的工程，點擊Design Modeler 圖標進入DM.（2）設定 Length unit 為 millimeters（3）在Design Modeler 中選擇草圖模式（Sketch mode）在草圖模式中創(chuàng)建二維體是為3D建模做準備。（4）進入草圖模式創(chuàng)建新平面(New Plane)創(chuàng)建新平面的過程如下。點擊“New Plane ”按鈕，這時在樹形目錄中顯示構建新平面的幾種類型。具體含義如下：From plane ：從另一個已有面創(chuàng)建平面From Face ：從表面創(chuàng)建平面From Point and Edge：用一點和一條邊界方向的法線定義平面From Three Points ：用三點定義平面。From Coordinates ：通過鍵入距離原點的坐標和法線定義平面選擇 From Three points XY平面。（5）在草繪模式界面中單擊 “toolboxes”按鈕，從彈出的繪圖工具對話框（toolboxes）中選擇circle。這時狀態(tài)條提示 “Circle Click,or press and hold ,for center of circle”確定圓心位置。確定圓心后狀態(tài)條提示：拖動和松開鼠標來定義半徑大小。 設置圓的半徑為150mm,，半徑為205mm。（6）單擊”Look At”圖標切換平面至YZ平面。（7）單擊”toolboxes” 選擇樣條曲線，繪制過圓心的沿條曲線,長度設置為400m..完成草繪圖。（1）打開已建好的草繪模型。（2）?打開【插入】|【掃描】命令，選擇【掃描】。 ?打開【掃描軌跡】菜單，選擇【選取軌跡】選項來選擇現在的曲線和邊界作為掃描的軌跡。 ?創(chuàng)建或檢索掃描截面，并以圓圓2為邊界，沿樣條曲線軌跡掃描。得到輸運軟管模型，如圖5所示。然后對輸運軟管和內部流體進行有限元網格劃分。由于在深海采礦海試中輸運軟管的管長約為，在用ANSYS 軟件分析研究過程中不但計算量龐大、計算時間很長且計算的準確度不高。為了避免這個問題，在本實驗輸運軟管力學分析中，建立的輸運軟管和內部流體的有限元模型均采用的長度。建立的輸運軟管的外徑為、內徑為、彈性模量為、其中輸運軟管采用三維八節(jié)點六面體的固體單元，內部流體采用三維八節(jié)點六面體的流體單元。輸運軟管有限元網格模型共6592個單元，46224個節(jié)點；內部流體有限元網格模型共有50676個單元，57820個節(jié)點。如圖5所示。圖5 輸運軟管與內部流體的三維輸運軟管的內部流體是由結核礦石泥沙和海水混合的固液兩相流體。輸運軟管在 深海采礦系統正常工作時，收到的浮力和自身重力均以分步載荷方式加載在輸運軟管的單元上。在結核礦石輸送過程中，輸運硬管頂端與采礦船的連接采用球型鉸接，輸運硬管底端與中間倉的連接形式為十字形鉸接。在進行有限元分析過程中，假設輸運軟管的兩端固定不動（即集礦機和采礦船相對靜止），所以在輸運硬管的兩端加載固定約束。在進行仿真計算時通過改變輸運軟管的固定參數（彈性模量、管外徑大?。?，內流參數（內流速度、內流密度、內流的粘性系數）來研究輸運軟管力學特性（最大側向位移、最大主應力）受這些因素的作用效果。 輸運軟管力學行為分析在對輸運軟管的力學特性進行分析時，主要通過改變輸運軟管的固有參數、內流參數等因素的大小，來分析其力學特性。分析的力學特性主要有最大側向位移和最大主應力。每改變一次參數值的大小，便通過ANSYS Workbench 分析得到一個結果，使用MATLAB軟件將這些結果畫成以改變的參數為橫坐標、力學特性為縱坐標的畫像。就得到了輸運軟管的最大側向位移、最大主應力歲參數改變的曲線。 輸運軟管固有參數對輸運硬管力學特性的影響 輸運軟管固有參數對輸運硬管的力學特性有很大的影響，主要分析對輸運軟管的彈性模量和外徑尺寸的作用效果。 （1）輸運軟管的彈性模量變化對輸運硬管力學特性影響，輸運軟管最大側向位移受彈性模量變化的影響。 在對輸運軟管進行力學分析時，保持輸運軟管有限元模型的其他參數不變，分別將輸運軟管的彈性模量設為、來進行模擬仿真。根據ANSYS Workbench 仿真出來的結果可以得出輸運軟管不同彈性模量值對其最大側向位移產生的影響，將對于產生的數值通過MATLAB軟件畫出輸運軟管最大側向位移與彈性模量之間的關系如圖6所示。圖6軟管的彈性模量對其最大側向位移的作用效果 由圖6可知，隨著彈性模量的增加輸運軟管最大側向位移有所減少，切最大側向位移的降幅越來越小。產生這一結果的主要原因是輸運軟管的彈性模量越大，越難以發(fā)生彎曲變形，從而其最大側向位移越小。由于輸運軟管的一端與在海底采礦的集礦機相連，為了使集礦機行走更加自由靈活，輸運軟管的彈性模量越小越好，這樣有利于軟管的變形。但當彈性模量過小時，輸運軟管受到較小的力便會產生較大的變形使內部礦漿的輸運不穩(wěn)定造成整個輸運子系統不能穩(wěn)定地工作。為了確保深海輸運系統能過正常穩(wěn)定連續(xù)地工作，輸運軟管的彈性模量應該設定在一定的范圍之內（如）。 如上文提到，根據ANSYS Workbench仿真出的結果可以得出輸運軟管不同的彈性模量值對其最大主應力產生的影響，將對應產生的數值通過MATLAB 軟件畫出輸運軟管最大主應力與彈性模量之間的關系如圖7所示。圖7輸運軟管的彈性模量對其最大主應力的作用效果 由圖7可知，隨著彈性模量的增加輸運軟管所受的最大主應力有所減少，并且與輸運軟管受其彈性模量變化最大側向位移的變化趨勢相同。產生這一結果的主要原因是輸運軟管的彈性模量越大，其側向位移越小造成內部流體礦漿對軟管的剪應力產生的附加彎矩越小，進而造成其所受到的最大主應力越小。為了確保深海采礦系統能夠正常穩(wěn)定連續(xù)地工作，輸運軟管的彈性模量應該設定在一定的范圍之內。 在對輸運軟管進行力學行為分析時，保持輸運軟管有限元模型的其他參數不變，分別將輸運軟管的外徑大小設為、、來進行模擬仿真。根據ANSYS Workbench仿真出來的結果可以得到輸運軟管不同的外徑尺寸對其最大側向位移產生的影響，將對應產生的數值通過MATLAB軟件畫出輸運軟管最大側向位移與外徑大小之間的關系如圖8所示。 圖8 軟管外徑對輸運軟管的最大側向位移產生的影響 由上圖8可知，隨著輸運軟管外徑的增大輸運軟管的最大側向位移有所減少。產生這一結果的主要原因是輸運軟管外徑越大（內徑大小保持不變），越難以產生彎曲變形，導致其最大側向位移越小。為了減少輸運軟管變形過程中受到的海水阻力，需要的輸運軟管的外徑越小越好。但輸運軟管的外徑過小又會造成過大的側向位移，對輸運子系統的穩(wěn)定運行造成影響。輸運軟管只有采用適合的外徑尺寸才能保證輸運系統的高效平穩(wěn)運動。 如上文提到，根據ANSYS Workbench仿真出的結果可以得出輸運軟管不同的外徑尺寸對其所受的最大主應力產生的影響，并將對應產生的數值通過MALAB軟件畫出輸運軟管最大主應力與外徑大小之間 關系如圖9所示。圖9輸運軟管的外徑尺寸對其最大主應力的作用效果 由上圖9可知，隨著輸運軟管外徑的增打輸運軟管的最大側向位移有所減少。這是因為輸運軟管的外徑尺寸越大，其最大側向位移越小造成內部流體礦漿對軟管的剪應力產生的附加彎矩越小，進而造成其所受到的最大主應力越小。因此，只有適宜的外徑尺寸才能保證輸運軟管子系統有效地工作。由上面的分析可知，輸運軟管的力學特性受其固有參數影響很大，隨著彈性模量的增加輸運軟管的最大側向位移和最大主應力減少；隨著外徑尺寸的增大輸運軟管的最大側向位移和最大主應力減小。在輸運系統設計過程中，應合理選擇輸運軟管的材料和尺寸，保證其彈性模量處于。內部流體的運動速度對輸運軟管的力學行為會產生較大的影響。在對輸運軟管進行力學行為分析時，保持輸運軟管有限元模型的其他參數不變，分別將輸運軟管內部流體流動的速度設為, ,來進行模擬仿真。根據ANSYS Workbench仿真出來的結果可以得出輸運軟管內部結核礦漿不同的流速對其最大側向位移產生的影響，將對于應力產生的數值通過MATLAB軟件畫出輸運軟管最大側向位移與內流速度之間的關系圖10所示。圖10內部流體速度對輸運軟管的最大側向位移產生的影響 由上圖10可知，隨著內部流體流速的增加輸運軟管的最大側向位移顯著增加，且隨著流速的變大最大側向位移的增加幅值也隨之加大。造成這一現象的原因是內流速度的增加加大了輸運軟管兩側的速度差，導致其側向位移過大使系統失穩(wěn)。但是軟管內流速度過小，又會造成管道的堵塞降低輸運軟管系統的運輸效率。要使輸運系統高效平穩(wěn)地工作，建議輸運軟管工作時內部結核礦漿的運動速度在一定區(qū)間（如）內變動。 如上文提到，根據ANSYS Workbench仿真出的結果可以得出輸運軟管內部結核礦漿不同的流速對其所受的最大主應力產生的影響，將對應產生的數值通過MATLAB軟件畫出輸運軟管最大主應力與內流速之間的關系如圖11所示。圖11 內部流體速度對輸運軟管的最大主應力產生的影響由圖11可知，隨著內部流體流速的增加輸運軟管所受的最大主應力顯著增加，且隨著流速的變大最大主應力的增加幅值也隨之加大。造成這一現象的原因在于內流速度的增加，導致其側向位移增加、內部流體礦漿對軟管的剪應力產生的附加彎矩減小，進而造成其所受到的最大主應力減小。為了保障輸運軟管有足夠的強度，內流速度不能過大。建議輸運軟管工作時內部結核礦漿的運動速度處在一定范圍內（如）。 在對輸運軟管進行力學行為分析時，保持輸運軟管有限元模型的其他參數不變，分別將輸運軟管內部流體密度設為, ，03，,進行模擬仿真。根據ANSYS Workbench仿真出來的結果可以得出輸運軟管內部結核礦漿不同密度對其最大側向位移產生的影響，講對于產生的數值通過MATLAB軟件畫出輸運軟管的最大側