在耦合式矿用软管牵引及非均匀沉降作用下的履带式矿用车辆（DSMV）行驶性能响应机制：建模与实验研究

《Ocean Engineering》：Driving performance response mechanism of tracked DSMV under coupled ore hose towing and heterogeneous sinkage: Modeling and experimental research

本文研究深海采矿车辆在软海底沉积物上的机动性能，揭示管道拖力和海底沉积物的耦合作用导致车辆姿态变化，建立姿态动力学模型和失稳临界角模型，实验验证模型有效性，确定最优拖力与重力比范围（<15°），为浮力材料设计提供依据。

　　深海采矿技术作为海洋资源开发的重要组成部分，近年来得到了迅速发展。随着陆地矿产资源的逐渐枯竭，海底矿藏，尤其是富含多种金属的多金属结核、钴结壳和硫化物矿床，被视为未来资源供应的关键来源。与此同时，新能源产业的快速发展使得对锰、铜、钴、镍等金属的需求显著上升，进一步推动了深海采矿技术的研究和应用。深海采矿系统的商业化进程正在加快，从最初的单系统实验逐步向多系统协同作业方向演进。然而，这一过程中也伴随着一系列技术挑战，尤其是在深海采矿车辆（DSMV）的移动性能方面。

DSMV作为深海采矿系统的核心设备，其在海底软质沉积物上的运行表现直接影响到整个采矿作业的效率和可行性。在实际作业中，DSMV需要通过运输管道将开采的矿石输送至海面，而这一过程中的管道牵引力与海底沉积物之间的相互作用，会对车辆的姿态产生重要影响。姿态变化不仅可能降低采集系统的效率，还可能导致车辆失去牵引力，最终引发移动故障。因此，深入研究这些耦合效应对于优化深海采矿系统的运行至关重要。

本文通过实验模拟的方式，探讨了不同牵引力对DSMV姿态变化的影响，并建立了两个分析模型：一个是用于量化管道与沉积物相互作用下姿态动态变化的俯仰角变化模型；另一个是用于识别车辆运动故障临界点的不稳定俯仰角模型。实验结果与模型预测之间表现出高度的一致性，表明这些模型在分析和预测DSMV在耦合管道牵引与海底沉降条件下关键姿态行为方面具有较高的可靠性。此外，研究还明确了管道牵引力与车辆重力之间的最佳比例范围，该范围能够有效避免对DSMV驾驶性能造成影响，从而为实际工程中所需浮力材料的计算提供了依据。

深海采矿系统的复杂性不仅体现在其多学科交叉的特性上，还在于各子系统之间的紧密联系。以多金属结核的采集为例，该系统主要由水面支持船、矿石运输管道和DSMV三部分组成。这些子系统在协同作业中相互作用，形成一个高度集成的整体。DSMV作为系统的核心组件，负责在海底进行移动和矿石采集，其运行状态直接决定了整个系统的性能。由于DSMV与海底软质沉积物的直接接触，它特别容易受到各种外部力的影响，例如管道牵引力、水流动力以及海底地形变化等。

在DSMV的运行过程中，其姿态变化是一个重要的研究方向。姿态变化不仅会影响车辆的运动稳定性，还可能对采集效率产生负面影响。例如，当DSMV的前部采集装置因姿态变化而离地过高时，其采集能力将受到限制，甚至无法完成采矿任务。此外，管道牵引力的变化还可能影响车辆的总前进力，进而导致车辆速度下降、侧滑风险增加以及采矿效率降低。这些现象表明，DSMV的姿态控制是深海采矿系统设计和优化中的关键环节。

在以往的研究中，学者们主要关注管道与车辆之间的相互作用，或是车辆与海底沉积物之间的相互作用，而较少涉及管道牵引力与海底沉积物之间的耦合效应。这种耦合效应对于DSMV的移动性能具有深远影响，特别是在软质沉积物环境下。因此，本文通过建立新的模型和开展实验模拟，深入分析了管道牵引力与海底沉积物之间的相互作用机制，揭示了其对DSMV姿态变化的关键作用。

为了更好地理解深海软质沉积物的物理特性，本文首先对模拟土壤进行了准备。深海软质沉积物具有特殊的力学性能，其在海底表层以下约0-10厘米的范围内通常处于流体状态，几乎不具备剪切强度。这种特性使得DSMV在移动过程中容易受到沉降和地形变化的影响，从而导致姿态不稳定。因此，在实验模拟中，需要准确再现这种沉积物的物理行为，以确保研究结果的可靠性。

在DSMV姿态变化过程的分析中，本文提出了一个简化的模型，将姿态变化分为两个阶段。第一阶段是车辆后部沉降加剧，而前部仍保持与海底接触，此时车辆能够维持完整的履带接触，确保其稳定移动。第二阶段则是车辆前部开始脱离海底，随着沉降程度的增加，车辆的稳定性逐渐降低，最终可能导致运动故障。这一模型的建立有助于更准确地预测DSMV在不同牵引力条件下的姿态变化趋势，从而为优化其运行提供理论支持。

此外，本文还对DSMV的俯仰角变化进行了深入分析。俯仰角的变化不仅影响车辆与海底的接触状态，还直接决定了采集装置的工作效率。当俯仰角过大时，车辆可能会出现滑动、沉降甚至无法正常采集的情况。因此，研究如何在保证采集效率的同时，控制车辆的姿态变化，是深海采矿技术发展中的一个重要课题。

通过实验模拟，本文揭示了不同牵引力条件下DSMV姿态变化的具体表现。结果表明，管道牵引力的增加会导致车辆俯仰角的显著变化，进而影响其在海底的移动性能。同时，实验还发现，当俯仰角达到一定临界值时，车辆的稳定性将受到严重影响，甚至可能导致无法继续作业。因此，确定合理的牵引力范围，以维持DSMV的稳定运行，是实现高效深海采矿的关键。

本文的研究成果不仅为深海采矿系统的优化提供了理论依据，还为实际工程应用提供了重要的参考。通过建立可靠的模型和实验方法，研究者能够更准确地预测DSMV在不同作业条件下的姿态变化，从而设计出更加高效的采矿系统。此外，研究还提出了关于车辆浮力配重配置的建议，以进一步提高其在复杂海底环境中的适应能力。

总之，深海采矿技术的发展需要多学科的共同努力，特别是在DSMV姿态控制和运动稳定性方面。本文通过实验模拟和模型分析，揭示了管道牵引力与海底沉积物之间的耦合效应，为优化深海采矿系统的运行提供了新的思路和方法。未来的研究可以进一步探索这些耦合效应在不同海底环境中的表现，以及如何通过技术创新来克服这些挑战，从而推动深海采矿技术的可持续发展。