本文所研究的对象是大洋协会十二五课题“面向海试的多金属结核集矿系统研制与集成”中的采矿技术验证系统,该系统由采矿船、复合缆和集矿机三部分组成。基于多刚体动力学理论,建立多金属结核采矿系统虚拟样机模型,进行复合缆作业构形设计和整体联动动力学仿真分析,为采矿系统海试提供了数据支持。论文的主要研究内容和成果如下:比较三种管线结构的动力学分析方法,以多刚体离散元在空间梁上的应用推导出离散后复合缆单元间的等效弹簧的数学表达式,根据复合缆和浮球的属性、采矿系统受到的各种海洋环境荷载以及边界条件,以浮球布置位置和数量、船机水平距离为主要影响因素对复合缆作业构形进行设计分析,确定复合缆上浮球的布置方案。根据采矿系统的整体联动与各系统间的约束关系,基于虚拟样机技术分别建立了 500m海深和50m海深的采矿系统仿真模型。针对500米海试采矿系统,根据集矿机作业的范围,对复合缆缆长、浮球的布置方式及数量等进行了分析,对复合缆空间构形进行了设计和优选,获得了理想的双拱马鞍形构形,验证了设计的可行性。在横向联动折返作业模式下,分别研究了不同开采宽度、不同开采间隙、不同开采速度三个方面对500米海试采矿系统的空间构形和动力学行为的影响。仿真结果表明:开采宽度越大,采矿船与集矿机受到的作用力越大,在相对距离离采矿船最远处达到最大值,采矿系统动力学特征越不稳定。开采间隙变化对采矿船与集矿机受到的作用力的影响不大,但开采间隙越大,集矿机在转弯处受到的作用力的突变值越大。开采速度越大,采矿系统进行一个周期的集矿作业所需的时间越短,集矿作业效率越高,但集矿机受到的总作用力越大,采矿系统的动力学特征越不稳定。按照500m海试系统的研究方法研究了浅海试验的两种模型:一种是复合缆长80m的采集模型设计及联动控制分析,另一种是复合缆长250m的采集模型设计及联动控制分析。仿真结果表明:复合缆长80m的采矿系统形成单拱构形更有利于海底集矿作业;复合缆长250m的采矿系统形成双拱构形更有利于海底集矿作业。复合缆长度为80m和250m的采矿系统在设计轨迹的整个周期的横向联动折返作业中,复合缆能呈现较好的空间构形,采矿系统的整体联动过程状态稳定。