深海采矿车(Deep-Sea Mining Vehicles, DSMVs)在软质海床上的沉陷深度是决定其牵引性能与作业效率的核心参数，然而现有缩尺试验与单板数值模型难以充分刻画全尺寸车-海床动态相互作用。针对这一问题，研究人员开发了三维大变形数值模型，用于揭示全尺寸深海采矿车履带在深海软沉积物中的沉陷特征与机制。研究采用欧拉-拉格朗日耦合(Coupled Eulerian-Lagrangian, CEL)方法分析全尺寸单侧履带与软海床的相互作用，并通过自定义Fortran子程序引入海床土的应变软化与应变率依赖效应。基于验证后的数值模型，研究人员系统分析了履带动载参数与履板结构对沉陷行为的影响，阐明了不同大变形剪切特性下海床土的沉陷机理，揭示了沉积物应变软化与应变率效应对深海采矿车动态沉陷过程的重要影响。最终，基于能量法与数值模拟结果，提出了一种新的全尺寸深海采矿车沉陷深度预测经验公式。研究结果可为深海采矿车的设计与安全运行提供新的理论支撑。
《Soils and Foundations》刊发的研究针对深海采矿车(DSMVs)在软质海床作业时的沉陷控制难题展开系统性攻关。随着低碳经济转型，锂、钴、镍等关键矿产需求激增，陆地资源日趋枯竭，深海采矿成为重要替代方案。典型深海采矿系统由支持船、矿石提升泵与深海采矿车组成，其中履带式采矿车因适应复杂软底地形、扰动小、覆盖面积大等优势成为主流构型。然而海床土具有非均质性、强敏感性，受载后易发生应变软化与应变率效应，传统基于Bekker压力-沉陷模型的理论与缩尺试验难以反映全尺寸履带的群桩效应与动态耦合特征，且传统有限元法(FEM)在处理大变形问题时易因网格畸变导致计算失效，现有研究多将整体履带简化为单块履板进行分析，忽略了多履板同时加载时的相互干扰，造成沉陷预测偏差较大。为此，研究人员构建了全尺寸履带-海床相互作用的三维大变形数值模型，量化动态荷载、履刺结构与土体参数的耦合影响，最终提出改进型沉陷预测公式，为采矿车的安全设计与运行提供理论支撑。
研究采用三个关键技术方法：第一，采用欧拉-拉格朗日耦合(CEL)方法，将海床设为欧拉网格、履带设为拉格朗日网格，通过体积分数工具(EVF)追踪材料流动，避免大变形下的网格畸变问题；第二，基于Einav-Randolph模型开发自定义Fortran子程序，引入土体应变软化参数（土壤灵敏度St 、95%强度衰减累积剪应变ξ95 ）与应变率效应参数（粘度系数η、剪切稀化指数n、参考剪应变率γ̇ref ），实现海床土强度的动态演化；第三，通过缩尺落板冲击试验验证模型可靠性，试验采用两种履刺间距的0.1m宽、0.7m长履板，从0.7m与1m高度自由下落，结合原位钻孔取样的土体物理力学参数完成模型校准。
研究结果分为四个部分：第一部分为不同加载条件的影响。研究人员设置0~2000kg的矿石装载过程，发现装载速率（kF ）越快，沉陷拐点出现越早，最终稳定深度越低，但高速加载会加剧动态响应；初始触底速度从1m/s增至8m/s时，最终沉陷深度呈显著正相关，触底后加速度经历瞬时减速、渐变过渡与稳定三个阶段。第二部分为单履板履刺结构参数的影响。履刺高度从5cm增至20cm时，沉陷深度随之增大，因履刺切入加剧了土体塑性变形与应变软化；对比三角型、抛物线型、T型、弧型四种履刺形状，矩形与T型履刺因接触面积大、承载力高，沉陷更小，而弧型与抛物线型因流线型顶部引发更大土体流动，初期沉陷更快；多履刺配置存在“群效应”，双履刺与三履刺的沉陷量甚至小于无履刺平板，因履刺间土体被约束压缩形成更高承载力的封闭区域。第三部分为不同土体参数的影响。海床土表面剪切强度Su0 决定初始沉陷深度，剪切强度随深度增长系数kS 决定是否出现沉陷平台期，kS ≥1500Pa/m时可抑制持续沉降；应变软化参数ξ95 越小，土体强度衰减越快，最终沉陷越大，作用随时间与荷载增加而凸显；土壤灵敏度St 从5降至2时，最终沉陷减少70.33%，高灵敏度土体更易持续沉降；粘度系数η越高，触底初期缓冲效应越强，沉陷越浅，但不改变最终稳定深度。第四部分为无载沉陷初步预测。基于能量法整合车辆湿重、触底动能、土体强度与应变参数，提出无量纲沉陷预测经验公式，经数值算例验证拟合优度R²表现良好，可通过简单迭代实现工程预测。
讨论部分指出，CEL方法虽避免了网格畸变，但在履刺-土体尖锐界面追踪上仍有精度局限，未来可探索混合数值方法平衡计算效率与局部分辨率。研究结论明确：降低矿石装载速率与触底初始速度可有效减小沉陷；优化履刺高度、数量与平面形状能提升稳定性，避免深陷；软海床的应变软化与粘度系数是控制沉陷的关键土性指标，高粘度系数可缓解触底冲击；提出的改进能量法经验公式兼顾应变效应，预测精度优于传统模型，可为深海采矿车的海底着底安全性评估提供高效参考。
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