深海海底鉆機(jī)用鎧裝臍帶纜有限元分析

謝焜,金永平,李蘭香，彭佑多，張小平

(湖南科技大學(xué) 海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與安全技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201)

海洋是人類巨大的共同資源寶庫,蘊(yùn)藏著豐富的金屬、油氣等多種礦產(chǎn)資源.隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,資源需求與競爭將愈演愈烈,為此,世界各沿海國家和地區(qū)紛紛將國家資源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)向資源豐富的海洋,并從近海向深海擴(kuò)展[1,2].深海海底鉆機(jī)是開展海底礦產(chǎn)資源勘探、海底工程地質(zhì)勘查和深海地質(zhì)及環(huán)境科學(xué)研究的關(guān)鍵技術(shù)裝備[3-7],深海海底鉆機(jī)用鎧裝臍帶纜則是連接深海海底鉆機(jī)與母船之間的紐帶,它不僅可以用來下放和回收深海海底鉆機(jī),還可以為深海海底鉆機(jī)提供電力與信息傳輸(如圖1所示).由于海洋復(fù)雜環(huán)境載荷(風(fēng)、隨機(jī)不規(guī)則波浪、洋流、海面流、海底流以及內(nèi)波等)的影響,母船將產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動響應(yīng),此時,鎧裝臍帶纜將會受到較大的時變拉伸荷載的作用.因此,開展在拉伸荷載作用下,鎧裝臍帶纜有限元仿真分析尤為必要[8-11].而構(gòu)建鎧裝臍帶纜三維幾何模型、三維網(wǎng)格模型和有限元分析模型,是開展鎧裝臍帶纜有限元分析的基礎(chǔ).

圖1 深海海底鉆機(jī)工作原理圖

為此,本文以深海海底鉆機(jī)用鎧裝臍帶纜為研究對象,首先運(yùn)用三維軟件Solidworks構(gòu)建鎧裝臍帶纜三維幾何模型,之后進(jìn)行鎧裝臍帶纜三維網(wǎng)格模型以及有限元分析模型的構(gòu)建,并設(shè)定鎧裝臍帶纜的材料參數(shù)和接觸類型,最后利用有限元分析軟件ANSYS對鎧裝臍帶纜進(jìn)行有限元仿真分析,為鎧裝臍帶纜的設(shè)計、可靠性分析等提供技術(shù)支撐.

1 鎧裝臍帶纜三維幾何模型構(gòu)建

1.1 鎧裝臍帶纜三維幾何模型

鎧裝臍帶纜主要是由外鎧層、中鎧層、內(nèi)鎧層、外層絕緣層、接地線單元、光纖單元、主電線單元、內(nèi)層絕緣層、主電線與內(nèi)層絕緣層之間的填充物、中心填充物、副電線單元及內(nèi)層絕緣層填充物組成,如圖2所示.鎧裝臍帶纜各構(gòu)件具體參數(shù)如表1所示,內(nèi)層絕緣層8中設(shè)有副電線單元11,副電線單元11是由4根副電線相互螺旋鉸合,4根副電線中間空隙設(shè)有中心填充物10,中心填充物10采用液體硅橡膠材料制成,中心填充物10位于副電線單元11相互空間螺旋鉸合細(xì)電線中心處.副電線單元11與內(nèi)層絕緣層8內(nèi)壁之間的間隙內(nèi)設(shè)有內(nèi)層絕緣層填充物12,內(nèi)層絕緣層填充物12采用液體硅橡膠材料制成.主電線單元7包繞在內(nèi)層絕緣層8外側(cè),主電線單元7與內(nèi)層絕緣層8外壁之間的間隙內(nèi)設(shè)有主電線與內(nèi)層絕緣層之間的填充物9,主電線單元7與內(nèi)層絕緣層之間的填充物9采用液體硅橡膠材料制成.所述的外層絕緣層4包在主電線單元7外側(cè),主電線單元7與外層絕緣層4內(nèi)壁之間的6個間隙內(nèi)設(shè)有接地線單元5和光纖單元6.所述光纖單元6由3根沿圓周方向均勻布置的光纖組成,每根光纖外表為螺旋狀不銹鋼管,螺旋狀不銹鋼管內(nèi)部填充有變性油膏,3根光纖中第1根光纖內(nèi)含1根纖芯,第2根光纖內(nèi)含2根纖芯,第3根光纖內(nèi)含6根纖芯.外層絕緣層4外側(cè)由內(nèi)而外依次包有38根內(nèi)層鎧裝鋼絲(內(nèi)鎧層3)、43根中層鎧裝鋼絲(中鎧層2)和36根外層鎧裝鋼絲(外鎧層1),鎧裝臍帶纜截面組成如圖3所示.

圖2 鎧裝臍帶纜三維幾何模型

1-外鎧層;2-中鎧層;3-內(nèi)鎧層;4-外層絕緣層;5-接地線單元;6-光纖單元;7-主電線單元;8-內(nèi)層絕緣層;9-主電線與內(nèi)層絕緣層之間的填充物;10-中心填充物;11-副電線單元;12-內(nèi)層絕緣層填充物

表1 鎧裝臍帶纜尺寸

1.2 鎧裝臍帶纜拉伸剛度理論分析理論

由于鎧裝臍帶纜具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu),材料具有高度非線性,所以在鎧裝臍帶纜拉伸剛度理論分析之前,提出4點(diǎn)假設(shè):(1)鎧裝臍帶纜結(jié)構(gòu)緊密,在未受力時,鎧裝臍帶纜各構(gòu)件之間無間隙;(2)鎧裝臍帶纜內(nèi)部部件不相互發(fā)生摩擦;(3)鎧裝臍帶纜各部件均勻排列;(4)每一層的伸長量和扭轉(zhuǎn)角均一致[12-17].

當(dāng)鎧裝臍帶纜受拉伸時,其受力單元主要是其3層鎧裝層,因此對其鎧裝層進(jìn)行理論分析,對單根鎧裝鋼絲纏繞在纜芯上受拉進(jìn)行分析,如圖4所示.

圖4 多根鎧裝鋼絲受力

當(dāng)單根鎧裝鋼絲受拉時,鎧裝鋼絲則會發(fā)生應(yīng)變,將該應(yīng)變分為軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變,將分析分成以下2種情況:

1)僅考慮鎧裝臍帶纜軸向應(yīng)變,設(shè)鎧裝臍帶纜軸向變形量為Δl,鎧裝鋼絲與纜芯軸向夾角為αi,由此鎧裝鋼絲方向變形量則為Δlcosαi.鎧裝臍帶纜變形前的長度l0=l/cosαi,由此鎧裝鋼絲軸向應(yīng)變與鎧裝臍帶纜軸向應(yīng)變關(guān)系為

(1)

2)僅考慮鎧裝臍帶纜徑向應(yīng)變,設(shè)鎧裝臍帶纜徑向收縮量為-ΔR,鎧裝鋼絲與纜芯軸向夾角為αi,由此鎧裝鋼絲徑向收縮量則為-ΔRsinαi.鎧裝臍帶纜變形前的長度R0=R/sinαi,R為鎧裝鋼絲圍繞纜芯的半徑,由此鎧裝鋼絲軸向應(yīng)變與鎧裝臍帶纜軸向應(yīng)變關(guān)系為

(2)

鎧裝臍帶纜在拉伸時,會發(fā)生軸向變形,同時還會發(fā)生徑向收縮.式(1)和式(2)都是鎧裝鋼絲軸向應(yīng)變,因此將兩式進(jìn)行合并,得到單根鎧裝臍帶纜的軸向變形與整個鎧裝臍帶纜的變形關(guān)系為

(3)

鎧裝臍帶纜的拉伸行為則可以表示為

(4)

式中:E為鎧裝臍帶纜的彈性模量；A為鎧裝臍帶纜的橫截面積；m為鎧裝層數(shù);i為層序號.

2 鎧裝臍帶纜有限元分析

2.1 鎧裝臍帶纜三維網(wǎng)格模型

利用ANSYS Workbench軟件內(nèi)子程序Mesh進(jìn)行自動網(wǎng)格的劃分,流程為先進(jìn)行全局網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置,然后進(jìn)行局部網(wǎng)格設(shè)置,之后預(yù)覽并劃分網(wǎng)格.

全局網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)置,先進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置(Defaults),將Defaults區(qū)域內(nèi)Relevance參數(shù)調(diào)為100,該參數(shù)用于控制網(wǎng)格劃分總體質(zhì)量,其最大值為100,值越大,網(wǎng)格質(zhì)量越細(xì)致，其他基本參數(shù)采用默認(rèn)值.進(jìn)行網(wǎng)格尺寸設(shè)置(Sizing),將Sizing區(qū)域內(nèi)Relevance Center設(shè)置為Fine(細(xì)化),該鎧裝臍帶纜三維幾何模型長為0.1 m,考慮最小尺寸,將Element Size輸入0.000 5 m的尺寸,將Smoothing設(shè)置為High,其他網(wǎng)格尺寸設(shè)置默認(rèn)，膨脹設(shè)置默認(rèn).網(wǎng)格高級參數(shù)的設(shè)置(Advanced),將Advanced區(qū)域內(nèi)Topogy Checking設(shè)置為yes,全局網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置完成.局部網(wǎng)格設(shè)置采取默認(rèn)設(shè)置,鎧裝臍帶纜三維網(wǎng)格模型圖如圖5所示,鎧裝臍帶纜三維網(wǎng)格模型網(wǎng)格質(zhì)量如圖6所示,平均質(zhì)量達(dá)到0.78,可以使用.

圖5 鎧裝臍帶纜三維網(wǎng)格模型

圖6 鎧裝臍帶纜三維網(wǎng)格模型網(wǎng)格質(zhì)量

2.2 材料選擇與接觸設(shè)置

對所有的鎧裝層、光纖材料定義成結(jié)構(gòu)鋼;對外層絕緣層材料定義為熱塑性聚氨酯彈性體材料;內(nèi)層絕緣層材料定義為芳綸纖維;所有填充物材料定義為硅橡膠材料;主電線,副電線,接地線單元中心實(shí)心部分定義成銅材料,材料的參數(shù)如表2所示.采用ANSYS Workbench進(jìn)行接觸定義,其鎧與鎧,鎧與絕緣層,絕緣層與光纖單元,光纖單元、主電線、副電線、接地線之間的相互接觸的面接觸類型都選擇Bonded,Bonded的接觸特點(diǎn)是法向沒有間隙,切向不產(chǎn)生滑移,考慮鎧纜是由多部件螺旋鉸合而成的,其相互接觸是沒有間隙,且表面摩擦比較大,不產(chǎn)生滑移,因此接觸類型選擇Bonded比較符合實(shí)際情況.接觸行為選擇Symmetric,對稱接觸的含義是在界面之間存在兩個接觸對,即一個面既為接觸面又為目標(biāo)面,使用對稱接觸在接觸計算中有利于提高計算的收斂性,保證了有限元計算的穩(wěn)定性.該設(shè)置與實(shí)際情況更加吻合,分析結(jié)果穩(wěn)定.把所有的接觸面都定為目標(biāo)面,如圖7所示.

圖7 鎧裝臍帶纜接觸類型

表2 材料的參數(shù)

2.3 施加約束與載荷

本文在對鎧裝臍帶纜進(jìn)行有限元分析之前,先將鎧裝臍帶纜一端面的自由度完全約束,另一端面所有節(jié)點(diǎn)自由度進(jìn)行耦合,并在這個耦合面上施加等效力;通過有限元分析提取相對應(yīng)的應(yīng)變,計算鎧裝臍帶纜的拉伸力,分析鎧裝臍帶纜內(nèi)部受力情況.

2.4 分析結(jié)果

由于深海海底鉆機(jī)水中重量為10 t,因此設(shè)置鎧裝臍帶纜受拉力F=100 000 N,利用ANSYS軟件進(jìn)行分析,得到鎧裝臍帶纜應(yīng)變、應(yīng)力的變化情況.圖8～圖10分別為外鎧、中鎧、內(nèi)鎧、外層絕緣層以及鎧裝臍帶纜總體模型的應(yīng)變、應(yīng)力云圖.

由圖8～圖10可知,鎧裝層所受應(yīng)力最大,且最大應(yīng)力出現(xiàn)于鎧裝層的內(nèi)鎧,而鎧裝臍帶纜的外層絕緣層的應(yīng)變最大.通過鎧裝臍帶纜拉伸剛度理論分析模型,計算得到鎧裝臍帶纜在承受100 000 N拉伸載荷作用下,鎧裝臍帶纜的鎧裝層鋼絲為主要承載部件,并且外層鎧裝層承受載荷最大.在所有鎧裝層中,內(nèi)層鎧裝層鎧與鎧相接觸的地方出現(xiàn)最大應(yīng)變、應(yīng)力(如圖8所示),這是由于內(nèi)層鎧裝層鎧與鎧之間排列緊密,當(dāng)外層鎧裝層承受拉伸載荷時,外層鎧裝層發(fā)生細(xì)微的徑向變形,擠壓內(nèi)層鎧裝層所致.

圖8 100 000 N拉力作用下外、中、內(nèi)鎧分析應(yīng)變、應(yīng)力云圖

圖9 100 000 N自動劃分的網(wǎng)格外層絕緣層分析應(yīng)變、應(yīng)力云圖

圖10 100 000 N拉力作用下鎧裝臍帶纜應(yīng)變、應(yīng)力云圖

同時可知,外層絕緣層所受應(yīng)變最大,其原因是當(dāng)鎧裝層鋼絲承受拉伸載荷時將發(fā)生一定的彈性形變,導(dǎo)致外層絕緣層與鎧裝層發(fā)生摩擦,進(jìn)而引起鎧裝層細(xì)微的徑向變形而擠壓外層絕緣層,加之外層絕緣層彈性模量較小,因此外層絕緣層產(chǎn)生了較大的應(yīng)變.

3 結(jié)論

1)在外部載荷作用下,鎧裝臍帶纜主要承受部件為鎧裝層,其中外層鎧裝層承受載荷最大.

2)在外部載荷作用下,在鎧裝層中,內(nèi)層鎧裝層鎧與鎧相接觸的地方出現(xiàn)最大應(yīng)力、應(yīng)變.

3)在外部載荷作用下,外層絕緣層所受應(yīng)變最大;而鎧裝臍帶纜纜芯應(yīng)力、應(yīng)變是最小的.