具有柔性履带的深海采矿车辆的动态沉降分析

《Ocean Engineering》：Dynamic sinkage analysis of deep-sea mining vehicles with flexible tracks

　　

马宁|李志刚|陈旭光|王玲|刘雪琳

中国海洋大学工程学院，青岛，266000，中国

摘要

当深海履带采矿车辆在柔软且未固结的海底沉积物上作业时，其履带的固有灵活性会导致地面接触压力分布极不均匀，进而导致海底发生不均匀的动态沉降。基于平面应变弹性理论，本研究开发了一个机械模型来表征由柔性履带引起的额外海底应力和动态沉降。该模型考虑了循环加载下沉积物含水量的变化，从而建立了动态海底变形的预测框架。通过与离散元方法（DEM）和有限元方法（FEM）的结果进行比较，该静态框架在非均匀载荷分布、应力响应和沉降特性方面显示出合理的一致性。基于这一框架，进一步发展了一种理论方法来估计循环加载下的动态沉降演变。结果表明，由于履带的灵活性，浅海海底产生的应力集中显著增加，导致沉降模式呈现出与支撑滚轮间距一致的周期性波动。车辆后端的峰值应力可能超过名义地面压力，从而导致后端过度沉降和前端抬升。在假设履带柔性的情况下，最末端轮子下预测的海底沉降可能比假设刚性平板履带的情况下大35%以上。随着支撑滚轮数量的增加和地面压力分布的更加均匀，履带灵活性的影响相应减小。这些发现为深海履带采矿车辆的结构设计、移动性评估和与姿态相关的操作性能评价提供了理论指导。

引言

由于富含锰、钴和镍等战略金属，深海多金属结核受到了越来越多的关注（Hein等人，2013年；Sharma和Smith，2019年；Leng等人，2021年）。随着全球新能源产业的快速发展和对关键原材料需求的增长，大规模开采多金属结核并将其进一步精炼为电池前体材料越来越被认为是一种潜在的经济途径（Sharma，2022年；Li等人，2017年）。此外，政治不稳定性和地缘政治竞争进一步促进了深海矿物开发技术的进步。

近年来，多金属结核的开采技术已经取得了显著进展。这些结核通常直径为2-10厘米，呈土豆形状，分布在4000-6000米的海洋深处，要么散布在软质深海沉积物上，要么浅埋其中（Zhang等人，2023年；He等人，2019年）。商业深海采矿系统通常包括三个主要组成部分：海底采集车辆、垂直运输管道和地面支撑平台（Miller等人，2018年）。在海底采集车辆中，采矿车辆可以大致分为远洋遥控车辆（ROVs）和接触式车辆。远洋ROVs在水中作业，不直接接触海底，但由于运营成本较高，不太适合大规模商业采矿。接触式车辆直接在沉积物表面行驶，通常分为阿基米德螺旋式和履带式两种类型。履带式车辆因其卓越的稳定性和在软质深海沉积物上的牵引力而受到领先采矿组织的广泛采用（Liu等人，2014年；Zhang等人，2022年）。

包括The Metals Company、Global Sea Mineral Resources NV、上海交通大学和中国五矿集团在内的多个机构已经进行了现场海试，以评估履带式采矿车辆的移动性和操作性能（Liu等人，2023年）。在这些试验中观察到的一个主要工程挑战是海底沉降。重型采矿车辆施加的耦合压力-剪切载荷会使柔软的海底发生变形，导致过度沉降，从而阻碍车辆的移动性，甚至可能导致车辆陷入沉积物中（Oebius等人，2001年；Wang，2015年）。

深海沉积物主要由绿泥石、蒙脱石、伊利石和硅藻土等矿物组成，形成粉质土壤和有机粘土（Ma等人，2014年）。在典型的15-20厘米作业深度下，这些沉积物的剪切强度范围为4至15.5千帕，平均约为7.7千帕（Wei等人，2021年），这显著低于陆地地基的剪切强度（Yamazaki等人，2005年；Sha等人，2023年）。由于深海采矿车辆通常重达数十吨，它们极易陷入这些松软的沉积物中。Bekker压力-沉降模型（Bekker，1956年）被广泛用于描述接触压力与海底沉降深度之间的关系。在该模型中，通常使用名义地面压力（即平均接触压力）作为载荷输入（Wang等人，2025年）。然而，这种方法假设了刚性平板履带，忽略了实际履带板在轮载作用下会垂直变形的灵活性。因此，实际的地面压力是不均匀的，在支撑滚轮下方较高，在滚轮之间较低。现有研究很少考虑这些灵活性效应，而这些效应可能会显著改变车辆与海底的相互作用。

对于履带式深海结核采集车辆来说，滑动是另一个重大挑战。当履带的齿形件无法通过剪切海底产生足够的牵引力时，就会发生滑动。深海沉积物的力学性质表现出明显的分层：表层含水量较高，剪切强度较低，而深层则更密集、强度更高（Choi等人，2011年；Wu等人，2010年）。当车辆的沉降不足时，齿形件无法穿透较深的、剪切强度较高的层，剪切薄弱的表层沉积物产生的牵引力不足，从而导致滑动。因此，履带的沉降行为直接决定了采矿车辆的牵引性能。

在此背景下，本研究探讨了深海履带采矿车辆移动过程中海底沉积物的应力响应和沉降特性。通过明确考虑履带的灵活性，开发了一个耦合的履带-海底相互作用机械模型。研究分为两部分：一部分是静态框架，通过与FEM和DEM结果进行比较来检验；另一部分是动态分析，作为循环加载下渐进式沉降的预测扩展。目的是阐明履带灵活性如何影响接触压力的分布、应力路径的演变以及由此产生的海底变形，从而为履带设计、基于控制的操作评估和柔性履带采矿车辆的性能预测提供理论指导。

章节摘录

履带式车辆的运动载荷

当履带式结核采集车辆在海底移动时，其履带与沉积物表面保持接触长度L。由于车辆的净重力载荷，车辆施加一个垂直压力Q_N(x)，而运动则产生一个与行进方向相反的水平剪切力Q_T(x)。如果忽略履带的灵活性并将履带视为刚性板，则施加的载荷通常简化为通过车轮均匀分布或三角形分布。

应力路径

应力路径描述了履带式车辆经过固定土壤元素时海底应力的演变。由于深海采矿车辆的操作速度较低（<0.5米/秒），远低于瑞利波速度，因此采用准静态方法是合适的（Wang和Chen，2007年）。如图1所示，车辆的运动由履带与固定海底元素之间的水平距离变化表示（x_s, z_s）。随着这一距离的变化，应力状态也随之演变。

结论

本研究开发了一个分析框架，用于研究柔性履带下深海软沉积物的响应。通过将与FEM和DEM结果进行比较来检验框架的静态部分，而动态部分则作为循环加载下渐进式沉降的预测扩展。主要结论如下：

• (1)
  开发了一个用于动态行驶分析的柔性履带-海底相互作用机械模型。基于可变形特性...

CRediT作者贡献声明

马宁：撰写——原始草稿，可视化，验证，方法论，概念化。 李志刚：撰写——原始草稿，方法论。 陈旭光：监督，方法论。 王玲：调查。 刘雪琳：调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2021YFC2801503）、国家自然科学基金（项目编号：52225107）和中央高校基本科研业务费（项目编号：202442004）的支持。