海洋電纜中關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題的研究進(jìn)展與展望1)

閻軍 胡海濤 蘇 琦 尹原超 吳尚華 盧海龍 盧青針 ,2)

* (大連理工大學(xué)工程力學(xué)系,工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連 116024)

? (大連理工大學(xué)寧波研究院,浙江寧波 315016)

** (大連理工大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧盤(pán)錦 124221)

引言

海洋中石油、天然氣及風(fēng)能、潮汐能等能源儲(chǔ)量豐富,海洋能源的開(kāi)發(fā)是世界各國(guó)能源戰(zhàn)略角逐的熱點(diǎn).我國(guó)是海洋能源儲(chǔ)量大國(guó),同時(shí)也是能源消耗大國(guó)[1].為保障我國(guó)的能源安全,從“十一五”開(kāi)始我國(guó)連續(xù)開(kāi)展了三個(gè)“五年計(jì)劃”,依托“海洋油氣資源勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)”和“深海關(guān)鍵技術(shù)和裝備”等科技專(zhuān)項(xiàng)對(duì)海洋能源開(kāi)發(fā)裝備和技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期研發(fā),使得我國(guó)已經(jīng)基本具備了海洋能源開(kāi)發(fā)裝備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)試和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù).海洋電纜是海洋能源開(kāi)發(fā)設(shè)備之間電力傳輸、生產(chǎn)控制的關(guān)鍵裝備之一.針對(duì)在海洋能源開(kāi)發(fā)中的不同應(yīng)用需求,海洋電纜分為多種類(lèi)型,主要包括海底電纜、海洋臍帶纜和海洋動(dòng)態(tài)纜等,如圖1 所示[2].

圖1 海洋電纜的主要應(yīng)用類(lèi)型[2]Fig.1 Main application types of marine cables[2]

由于海洋電纜需要滿(mǎn)足海洋環(huán)境下安全服役需求和電力傳輸?shù)裙δ芤?其在位應(yīng)用時(shí)主要受到海洋波浪流的動(dòng)態(tài)載荷,上部浮式平臺(tái)的浮沉及漂移導(dǎo)致的端部拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷,海面至海底的大長(zhǎng)度海洋電纜自重載荷及電纜內(nèi)部電力傳輸導(dǎo)致的熱載荷等作用,因此其結(jié)構(gòu)通常采用多構(gòu)件、多層螺旋纏繞的結(jié)構(gòu)形式[3],典型結(jié)構(gòu)如圖2 所示[4].海洋電纜內(nèi)部包含功能構(gòu)件 (電纜、光纜、液壓管道及填充等)、內(nèi)外護(hù)套層和金屬鎧裝層,上述構(gòu)件通常通過(guò)非粘接纏繞的形式集束在一起,此種結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的軸向抗拉伸和橫向彎曲柔順性的“剛?cè)岵?jì)”特點(diǎn).其中,金屬鎧裝層采用多根緊密排列的雙層鎧裝鋼絲反方向螺旋纏繞而成,該結(jié)構(gòu)特征可滿(mǎn)足海洋電纜的拉扭平衡設(shè)計(jì)需求[5-6].同時(shí),需要特別指出的是海洋電纜層間和同一層內(nèi)構(gòu)件間存在大量的接觸和摩擦相互作用,在受到拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等載荷作用時(shí),其力學(xué)性能往往呈現(xiàn)非線(xiàn)性特點(diǎn)[7].除具有上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外,海洋電纜采用金屬和非金屬多材料相結(jié)合的復(fù)合制造而成.多材料復(fù)合的特點(diǎn)也使得海洋電纜的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)非線(xiàn)性力學(xué)性能.此外,海洋電纜在工程應(yīng)用時(shí),長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里,但其截面直徑一般只有幾十厘米,是典型的大細(xì)長(zhǎng)比結(jié)構(gòu)[8-9].結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的非線(xiàn)性和大細(xì)長(zhǎng)比的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給海洋電纜設(shè)計(jì)分析及工程應(yīng)用帶來(lái)巨大難度和挑戰(zhàn).眾多學(xué)者針對(duì)海洋電纜中的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題開(kāi)展了大量的理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究.

圖2 海洋電纜典型螺旋纏繞結(jié)構(gòu)示意圖[4]Fig.2 Illustration of a typical multilayer helically wound power cable[4]

為全面總結(jié)海洋電纜中關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題的研究進(jìn)展,本文圍繞海洋電纜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合電纜產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程,從海洋電纜的設(shè)計(jì)、分析及測(cè)試等領(lǐng)域的研究方法進(jìn)行了綜述.首先,針對(duì)海洋電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論,詳細(xì)介紹了海洋電纜拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲行為的基本理論以及拉扭耦合和彎曲非線(xiàn)性行為的研究進(jìn)展.其次針對(duì)海洋電纜的分析方法,主要介紹了有限元仿真分析方法在海洋電纜工程中的應(yīng)用及專(zhuān)用數(shù)值分析軟件開(kāi)發(fā)的成果.進(jìn)一步,探討了海洋電纜多場(chǎng)耦合分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和疲勞壽命的計(jì)算方法.最后對(duì)海洋電纜中關(guān)鍵力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)和測(cè)試裝備進(jìn)行了綜述.通過(guò)上述研究方法和研究領(lǐng)域的綜述,本文對(duì)海洋電纜未來(lái)發(fā)展的主要技術(shù)需求和研究方向進(jìn)行了展望.

1 海洋電纜力學(xué)性能理論研究進(jìn)展

理論研究是開(kāi)展海洋電纜力學(xué)性能研究的主要方法之一,同時(shí)也是數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的驗(yàn)證依據(jù),對(duì)海洋電纜的設(shè)計(jì)、分析和測(cè)試具有重要參考價(jià)值.因此本文首先針對(duì)海洋電纜力學(xué)性能的理論研究進(jìn)展進(jìn)行介紹.

1.1 拉扭性能理論研究進(jìn)展

拉伸剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和拉扭耦合行為是海洋電纜的基本力學(xué)性能,受到廣泛的科研關(guān)注.Knapp[10]開(kāi)展了海洋電纜受拉伸和扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)的應(yīng)力計(jì)算分析,考慮了大變形情況下材料非線(xiàn)性與幾何非線(xiàn)性特征,采用數(shù)值迭代算法完成了高度非線(xiàn)性的理論方程的求解;同時(shí)為方便手算,也給出了線(xiàn)性簡(jiǎn)化的計(jì)算方程,如式 (1) 和式 (2) 所示

其中,T為施加的拉力;Mt為施加的扭矩;Δ 為電纜的伸長(zhǎng)量;Φ 為電纜的扭轉(zhuǎn)角度;Ai為第i根鎧裝鋼絲的截面面積;Ei為第i根鎧裝鋼絲的楊氏模量;Lc為電纜的長(zhǎng)度;ai為鎧裝鋼絲的螺旋纏繞角度;θ 為0 時(shí)適用于剛性?xún)?nèi)核分析,θ 為1 時(shí)適用于不可壓縮內(nèi)核分析;Rc為電纜中心內(nèi)核的半徑;Ri為鎧裝鋼絲的螺旋纏繞半徑;Ac為電纜中心內(nèi)核的截面面積;Ec為內(nèi)核的楊氏模量;Jc為內(nèi)核的極慣性矩;Gc為內(nèi)核的剪切模量.

進(jìn)一步,Knapp[11]推導(dǎo)了海洋電纜受拉扭載荷的耦合剛度矩陣.在上述研究基礎(chǔ)上,Knapp[12]給出了海洋電纜力學(xué)行為的一種線(xiàn)性模型,該模型滿(mǎn)足扭轉(zhuǎn)平衡條件和鎧裝鋼絲間均等負(fù)載,并通過(guò)電纜實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性.Lanteigne[13]考慮了海洋電纜受拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷的耦合效應(yīng),給出了組合力學(xué)行為的剛度矩陣表達(dá)式.文獻(xiàn)[14]提出了一種預(yù)測(cè)單根螺旋鋼絲承受拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷并考慮摩擦力影響時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測(cè)方法.文獻(xiàn)[15]總結(jié)了受軸對(duì)稱(chēng)載荷的電纜結(jié)構(gòu)力學(xué)行為預(yù)測(cè)模型,將各模型進(jìn)行統(tǒng)一的符號(hào)重寫(xiě),分析了各模型的相似和不同之處,并通過(guò)不同算例,分析了各模型的適用性.文獻(xiàn)[16]推導(dǎo)了海洋電纜和柔性管道等螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的控制方程,獲得了拉扭組合工況下海洋電纜結(jié)構(gòu)的載荷和位移關(guān)系.文獻(xiàn)[17]提出了螺旋纏繞結(jié)構(gòu)在拉伸和扭轉(zhuǎn)載荷作用下,伴隨著內(nèi)、外壓力作用時(shí)響應(yīng)分析的方程及解法.Ramos等[18-21]研究了螺旋纏繞結(jié)構(gòu)在內(nèi)外壓載荷作用時(shí)的拉扭性能,提出了各層應(yīng)力應(yīng)變的線(xiàn)性解法,并且通過(guò)數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了理論方法的計(jì)算結(jié)果.Yue等[22]和Tang等[23]分別考慮了螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的徑向收縮變形,提出了預(yù)測(cè)海洋電纜軸向拉伸剛度的解析模型,并結(jié)合拉伸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了解析模型的準(zhǔn)確性,如下式 (3) 和式 (4) 所示

Xiang等[24]提出了一種新的模型用來(lái)描述多股鋼絲繩在軸向拉力和扭矩作用下的響應(yīng)特性.文獻(xiàn)[25]提出了一種螺旋纏繞結(jié)構(gòu)在軸向扭轉(zhuǎn)載荷作用下的彈塑性分析模型.楊志勛[8]采用梁模型理論研究了海洋電纜拉扭耦合力學(xué)行為,提出了一種數(shù)值與理論相結(jié)合的半解析方法預(yù)測(cè)海洋電纜結(jié)構(gòu)的拉扭耦合非線(xiàn)性行為,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所構(gòu)建方法的準(zhǔn)確性.

1.2 彎曲性能理論研究進(jìn)展

海洋電纜在彎曲載荷作用下往往發(fā)生較大的變形,此時(shí)表現(xiàn)出明顯的非線(xiàn)性特征,具體可分為三個(gè)階段[26]:第一階段為彎曲曲率較小時(shí),海洋電纜層間由于摩擦力的作用彼此無(wú)滑動(dòng),此時(shí)纜體變形的平截面假定始終成立,鎧裝鋼絲的纏繞角度不隨彎曲曲率的變化而變化,鎧裝鋼絲和護(hù)套層均對(duì)海洋電纜的彎曲剛度有較大貢獻(xiàn),此時(shí)海洋電纜的彎曲剛度最大,這一階段稱(chēng)為不滑動(dòng)階段.第二階段為滑動(dòng)過(guò)渡階段,此時(shí)部分鎧裝鋼絲開(kāi)始出現(xiàn)滑動(dòng),但還未發(fā)生整根鎧裝鋼絲的完全滑動(dòng).第三階段為全滑動(dòng)階段,鎧裝鋼絲發(fā)生完全滑動(dòng),鋼絲彎曲的中性層也會(huì)偏移到鎧裝鋼絲自身截面的形心位置附近,使得鎧裝鋼絲對(duì)海洋電纜彎曲剛度的貢獻(xiàn)顯著降低,此時(shí)海洋電纜彎曲剛度大部分由電纜的護(hù)套層貢獻(xiàn).關(guān)于海洋電纜結(jié)構(gòu)的彎曲性能已經(jīng)發(fā)表了大量的研究成果.Costello[27]研究了鎧裝鋼絲在純彎曲作用下的大變形力學(xué)行為,推導(dǎo)了螺旋線(xiàn)彎曲的幾何方程及平衡方程.Knapp[28]假設(shè)材料屬性為彈性,推導(dǎo)了一種近似的理論來(lái)確定海洋電纜純彎曲時(shí)的鎧裝鋼絲應(yīng)力狀態(tài).通過(guò)研究鎧裝鋼絲彎曲過(guò)程中的應(yīng)變-位移關(guān)系,發(fā)現(xiàn)海洋電纜在彎曲過(guò)程中存在著幾何非線(xiàn)性的影響,通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了所提出理論模型的正確性.文獻(xiàn)[29]提出了一種預(yù)測(cè)螺旋纏繞結(jié)構(gòu)在彎曲載荷作用下的響應(yīng)預(yù)測(cè)模型,研究了鎧裝鋼絲滑移的機(jī)理及其對(duì)彎矩-曲率的影響,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了驗(yàn)證.文獻(xiàn)[30]采用微分幾何推導(dǎo)了螺旋纏繞結(jié)構(gòu)彎曲過(guò)程中鎧裝鋼絲滑移路徑的詳細(xì)解析過(guò)程,得到了鋼絲滑移量的上界,為結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ).文獻(xiàn)[31]提出了一種螺旋纏繞結(jié)構(gòu)彎曲時(shí)鋼絲滑移行為及局部應(yīng)力計(jì)算的預(yù)測(cè)方法.文獻(xiàn)[32]基于庫(kù)倫摩擦模型及虛功原理提出了預(yù)測(cè)螺旋纏繞結(jié)構(gòu)彎矩-曲率關(guān)系的解析方程式,研究發(fā)現(xiàn)彎曲剛度是彎曲曲率、各層間的摩擦系數(shù)及各層間的接觸壓力的函數(shù),具體如式(5)和式(6)所示.不滑動(dòng)時(shí)彎曲剛度

滑動(dòng)后彎曲剛度

米家電磁爐采用了米家傳統(tǒng)的簡(jiǎn)約風(fēng)格，放置在廚房?jī)?nèi)，既彰顯品味又不失典雅。與傳統(tǒng)的電磁爐不同，米家電磁爐整機(jī)只配備了3個(gè)按鍵，分別是定時(shí)按鍵、功能按鍵以及旋轉(zhuǎn)按鈕（長(zhǎng)按按鈕2秒——開(kāi)啟/關(guān)閉；單擊按鈕——選中/暫停；旋轉(zhuǎn)按鈕——調(diào)節(jié)火力/烹飪模式），簡(jiǎn)單易操作，即使是老人也能輕易學(xué)會(huì)。

S?vik等[33]為了研究海洋電纜的實(shí)際彎曲情況,模擬了一條70 m 長(zhǎng)的海洋電纜在4.4 m 彎曲半徑的存儲(chǔ)卷盤(pán)上收放的過(guò)程,對(duì)比了實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果及模擬應(yīng)力的結(jié)果.Zhou等[34-35]建立了螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的解析模型,考慮層間摩擦力對(duì)結(jié)構(gòu)彎曲及疲勞行為的影響,并進(jìn)一步研究彎曲過(guò)程中鎧裝鋼絲纏繞角度的變化情況.文獻(xiàn)[36]同樣建立了螺旋纏繞結(jié)構(gòu)在彎曲載荷作用下的解析分析模型,并分析了彎曲過(guò)程中單位長(zhǎng)度鋼絲的摩擦力及摩擦過(guò)程的滑動(dòng)區(qū)域,確定了鋼絲關(guān)鍵位置的應(yīng)力大小.Takahashi等[37]關(guān)注彎曲過(guò)程中鎧裝鋼絲與外層之間接觸的邊界條件影響,建立了四種理論模型,并采用不同鋼絲捆扎帶的形式開(kāi)展了彎曲性能測(cè)試,與理論模型進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)捆扎帶的形式對(duì)鎧裝鋼絲的彎曲行為影響顯著.

2 海洋電纜數(shù)值仿真技術(shù)研究進(jìn)展

海洋電纜由于非粘接螺旋纏繞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),層間存在大量接觸、摩擦的相互作用,導(dǎo)致其拉伸、扭轉(zhuǎn)及彎曲力學(xué)行為呈現(xiàn)明顯的非線(xiàn)性特征.理論計(jì)算往往基于大量假設(shè),無(wú)法精確考慮海洋電纜結(jié)構(gòu)層間接觸、摩擦對(duì)其力學(xué)性能的影響,導(dǎo)致對(duì)其力學(xué)性能的計(jì)算分析不準(zhǔn)確.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,以有限元為代表的數(shù)值仿真方法得到廣泛應(yīng)用.通過(guò)建立海洋電纜精細(xì)的有限元模型,可實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋電纜層間接觸摩擦等非線(xiàn)性因素的考慮,對(duì)結(jié)構(gòu)更為精確的力學(xué)性能分析.

2.1 數(shù)值分析研究進(jìn)展

文獻(xiàn)[38]考慮了海洋電纜材料的非線(xiàn)性和內(nèi)部縫隙的影響,推導(dǎo)了有限元計(jì)算格式用于預(yù)測(cè)鎧裝鋼絲在受到拉伸、扭轉(zhuǎn)、內(nèi)外壓和外部物體擠壓時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng),并開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.Bahtui等[39]建立了精細(xì)的有限元模型,分析螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)行為,有限元仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果吻合良好.文獻(xiàn)[40]基于通用有限元分析軟件開(kāi)發(fā)了針對(duì)螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的建模和求解模塊,實(shí)現(xiàn)了快速建模和計(jì)算分析.文獻(xiàn)[41]在上述研究基礎(chǔ)上分析了螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的拉伸、扭轉(zhuǎn)性能.Liu等[42]考慮材料非線(xiàn)性、邊界條件非線(xiàn)性和層間接觸摩擦效應(yīng),建立了螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的有限元模型,精確地分析了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)行為.文獻(xiàn)[43]通過(guò)有限元方法詳細(xì)研究了海洋電纜的鎧裝鋼絲受拉伸、扭轉(zhuǎn)、擠壓耦合作用時(shí)的力學(xué)行為.

海洋電纜受彎曲載荷作用時(shí)往往發(fā)生大變形,鎧裝鋼絲的滑移路徑難以確定.理論方法大多基于多種假設(shè),無(wú)法確保結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此很多研究通過(guò)數(shù)值方法分析海洋電纜的彎曲行為.文獻(xiàn)[7]基于曲梁和薄殼理論建立了海洋電纜截面應(yīng)力的數(shù)值分析方法.文獻(xiàn)[44]建立了螺旋纏繞結(jié)構(gòu)彎曲行為的有限元模型,分析了彎曲過(guò)程中鎧裝鋼絲的位移、截面的應(yīng)力應(yīng)變、層間的擠壓及非線(xiàn)性滯回等結(jié)構(gòu)響應(yīng).文獻(xiàn)[45]建立了拉伸載荷作用下反復(fù)彎曲的海洋電纜三維有限元模型,研究了鋼絲的滑移路徑并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.Tang等[46]建立了螺旋纏繞結(jié)構(gòu)彎曲行為的有限元分析模型,與已有文獻(xiàn)中七種理論模型結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,討論了各理論模型的有效性和局限性,最后基于彈簧理論提出了一種適用范圍更廣的理論模型.Lu等[47]考慮層間接觸和摩擦作用建立了全三維的海洋電纜有限元模型,通過(guò)與理論模型的比較驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性,并通過(guò)數(shù)值模型討論了摩擦系數(shù)對(duì)鎧裝鋼絲彎曲應(yīng)力、接觸壓力和摩擦力的影響.Gomes[48]提供了一種用于分析螺旋纏繞結(jié)構(gòu)在拉伸彎曲組合載荷下力學(xué)行為的三維非線(xiàn)性有限元模型,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較.此外,Lu等[49]開(kāi)發(fā)了一種三維非線(xiàn)性有限元模型,可用于描述螺旋纏繞結(jié)構(gòu)受彎曲載荷和軸對(duì)稱(chēng)載荷作用時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng).并通過(guò)已發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性,進(jìn)一步討論了的鋼絲滑動(dòng)、摩擦及鋼絲應(yīng)力變化規(guī)律.

2.2 專(zhuān)業(yè)數(shù)值分析軟件研究進(jìn)展

盡管直接采用通用有限元分析軟件或基于此類(lèi)軟件做二次開(kāi)發(fā)可以對(duì)海洋電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和分析,但是由于海洋電纜多構(gòu)件、多層螺旋纏繞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),上述技術(shù)路線(xiàn)往往面臨巨大的建模難度和計(jì)算量的挑戰(zhàn),且因?yàn)閷娱g和構(gòu)件間存在大量的接觸和摩擦非線(xiàn)性因素的影響,計(jì)算過(guò)程同時(shí)面臨收斂性的困難.因此一些學(xué)者基于數(shù)值分析方法開(kāi)發(fā)了海洋電纜專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)分析軟件.

Knapp等[50]開(kāi)發(fā)了海洋電纜設(shè)計(jì)分析軟件CableCAD,可以對(duì)拉伸載荷、彎曲載荷、擠壓載荷及熱載荷等進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析.S?vik等[51-53]和Wang等[54]開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用軟件UFLEX 及BFLEX,采用曲梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬海洋電纜螺旋纏繞結(jié)構(gòu),同時(shí)使用彈簧單元設(shè)置各個(gè)單元之間的非線(xiàn)性接觸摩擦,基于Newton-Raphson方程進(jìn)行求解.軟件主要功能包括:(1) 對(duì)所有不同層數(shù)組成的纏繞單元都可以進(jìn)行建模;(2) 材料模型包括彈性、超彈性和彈塑性材料;(3) 可分析初始應(yīng)變對(duì)結(jié)構(gòu)分析的影響;(4) 接觸單元可設(shè)置摩擦;(5) 可進(jìn)行內(nèi)壓、外壓、拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲和外部擠壓載荷下的結(jié)構(gòu)分析.Helica 軟件[55]是由Ultra Deep 研發(fā),DNV GL 運(yùn)營(yíng)的Sesam DeepC 軟件中海洋電纜局部分析模塊,可進(jìn)行海洋電纜應(yīng)力應(yīng)變分析、載荷分配分析、截面剛度計(jì)算等.軟件在進(jìn)行軸對(duì)稱(chēng)分析時(shí)能夠考慮單元間的載荷分配,在進(jìn)行螺旋單元的彎曲能力分析時(shí)可考慮層間的摩擦力因素.中海油研究總院、大連理工大學(xué)、上海電纜研究所聯(lián)合研發(fā)了海洋電纜專(zhuān)用設(shè)計(jì)軟件UCD (圖3),軟件集成性強(qiáng),充分考慮海洋電纜在位運(yùn)行及鋪設(shè)安裝過(guò)程中的靜、動(dòng)態(tài)載荷,集成了具有截面設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析及安裝在位運(yùn)行分析等豐富的軟件模塊.軟件具備多種開(kāi)放性接口,能夠與有限元分析軟件及水動(dòng)力軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)交互,實(shí)現(xiàn)后期詳細(xì)分析,同時(shí)設(shè)置了開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)校正參數(shù)接口,為后期基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的海洋電纜高性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供軟件平臺(tái).

圖3 海洋電纜專(zhuān)用設(shè)計(jì)軟件UCDFig.3 Design software UCD for marine cables

3 海洋電纜耦合分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

3.1 多物理場(chǎng)耦合分析研究進(jìn)展

隨著海洋能源開(kāi)發(fā)中應(yīng)用設(shè)備的功能越來(lái)越復(fù)雜、性能越來(lái)越高,海洋電纜內(nèi)部輸電單元傳輸電流功率也越來(lái)越大,因此在電能傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱,導(dǎo)致海洋電纜結(jié)構(gòu)體溫度明顯升高.溫度變化會(huì)改變材料的性能進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的安全與性能.絕緣材料當(dāng)溫度高于耐受溫度的8%時(shí),材料的使用壽命會(huì)降低為原來(lái)的1/2;當(dāng)溫度高于耐受溫度的15%時(shí),材料的使用壽命會(huì)降低為原來(lái)的1/4.導(dǎo)體的電阻也會(huì)隨溫度的升高而升高,從而導(dǎo)致電能的傳輸效率降低,增加了海洋能源開(kāi)發(fā)的成本.同時(shí),電能傳輸過(guò)程產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)干擾電纜中信號(hào)單元的功能實(shí)現(xiàn),從而影響水下生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制.臍帶纜作為海洋電纜中的一種特殊類(lèi)型,其在位運(yùn)行時(shí)需傳輸光電信號(hào)、液壓油及化學(xué)藥劑等.在液壓的傳輸過(guò)程中臍帶纜內(nèi)部鋼管所傳輸液體也具有較高溫度,對(duì)臍帶纜截面的溫度分布具有重要影響.因此海洋電纜中存在著復(fù)雜的力-熱-電多物理場(chǎng)耦合效應(yīng),在進(jìn)行海洋電纜的結(jié)構(gòu)性能分析時(shí),需要全面考慮海洋電纜中力-熱-電多場(chǎng)耦合對(duì)其結(jié)構(gòu)性能的影響,保障海洋電纜在位運(yùn)行的安全性和可靠性.

針對(duì)海洋電纜的多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題的研究,Henriksen等[56]對(duì)12 km 的長(zhǎng)距離海洋電纜進(jìn)行了電-熱分析.結(jié)果表明,最高溫度發(fā)生在平臺(tái)的充氣J 型管內(nèi)部,且光纖和填充元件的溫度接近極限承載溫度,隨后根據(jù)獲得的分析結(jié)果進(jìn)行了海洋電纜的優(yōu)化設(shè)計(jì).文獻(xiàn)[57]模擬了在氣-水界面附近的垂直海洋電纜的傳熱和空氣流動(dòng),預(yù)測(cè)了在不同操作和環(huán)境條件下部分浸入式海洋電纜的溫度分布.針對(duì)電纜挖溝敷設(shè)的10 kV 三芯電纜,陳誠(chéng)[58]建立了熱路模型進(jìn)行了溫度場(chǎng)的分析,利用試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,并根據(jù)有限元模擬結(jié)果對(duì)整體的設(shè)計(jì)布局提出建議.Hu等[59]基于熱路模型方法將電纜模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和等效以計(jì)算導(dǎo)體的溫度,并通過(guò)電路試驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.文獻(xiàn)[60]基于有限元仿真分析軟件建立了不同纜芯結(jié)構(gòu)的海洋電纜模型,得到截面的溫度分布結(jié)果,并進(jìn)行了對(duì)比分析.針對(duì)海洋電纜截面多場(chǎng)耦合布局設(shè)計(jì)問(wèn)題,Yang等[4,61]引入相應(yīng)的指標(biāo)量化了緊湊性、對(duì)稱(chēng)性和溫度因素,建立了截面的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,同時(shí)提出了最小包絡(luò)圓半徑算法和乘數(shù)懲罰函數(shù)法,考慮制造因素,引入基于接觸點(diǎn)識(shí)別的分層策略,修改實(shí)現(xiàn)算法,以獲得具有分層特性的最優(yōu)橫截面布局.Yan等[62-63]基于電-熱-力耦合分析方法分析了兩種典型強(qiáng)電復(fù)合臍帶纜截面的力學(xué)性能(圖4),結(jié)果表明溫度對(duì)于臍帶纜的力學(xué)性能影響明顯,是臍帶纜截面設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略的重要因素.

圖4 20 MPa 外壓下總變形分布圖[63]Fig.4 Total deformation distribution at 20 MPa external pressure[63]

3.2 海洋電纜疲勞壽命分析研究進(jìn)展

海洋電纜最主要的失效模式之一是疲勞失效,這主要是由于來(lái)自浮體運(yùn)動(dòng)和環(huán)境載荷引起的拉力和曲率變化導(dǎo)致的.疲勞壽命分析是海洋電纜設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容,對(duì)海洋能源開(kāi)發(fā)中水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要意義.依據(jù)理論分析和工程經(jīng)驗(yàn),海洋電纜中最容易發(fā)生疲勞失效的部位位于纜體和上部浮體的連接處.當(dāng)前學(xué)術(shù)界針對(duì)海洋電纜疲勞壽命分析流程主要分為三個(gè)步驟,首先基于波浪、流、浮體運(yùn)動(dòng)等參數(shù),通過(guò)輸入纜的結(jié)構(gòu)性能參數(shù) (如外徑、濕重及剛度等) 進(jìn)行整體載荷分析,確定外部載荷幅值 (拉伸載荷和彎曲載荷);其次將外部載荷結(jié)果代入局部分析模型,結(jié)合海洋電纜截面的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn),通過(guò)理論或數(shù)值的方法計(jì)算疲勞熱點(diǎn)位置的交變應(yīng)力;最后通過(guò)代入構(gòu)件的S-N 曲線(xiàn)計(jì)算累積損傷與疲勞壽命.具體流程如圖5所示[64].文獻(xiàn)[65-66]建立了拉伸和彎曲載荷下海洋電纜的疲勞分析理論模型,考慮鎧裝鋼絲間接觸壓力和摩擦力,其理論計(jì)算結(jié)果通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.文獻(xiàn)[67]在進(jìn)行疲勞壽命估計(jì)時(shí)采用了解析和數(shù)值相結(jié)合的計(jì)算方法.為了模擬海洋電纜的在位工況下的疲勞壽命,Hoffman等[68]建立考慮結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和構(gòu)件之間接觸摩擦的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型,并與DUCO 公司的海洋電纜試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析.文獻(xiàn)[69-70]均開(kāi)展了模擬在位工況下的海洋電纜疲勞實(shí)驗(yàn).研究表明,船體運(yùn)動(dòng)和波浪流引起的拉力時(shí)程和曲率時(shí)程是影響疲勞破壞的主要因素.

圖5 海洋電纜疲勞壽命預(yù)測(cè)流程圖[64]Fig.5 Fatigue life calculation flow of marine cables[64]

圖5 中涉及的部分關(guān)鍵公式參數(shù)意義解釋如下:Kt為承力結(jié)構(gòu)的拉力-應(yīng)力系數(shù);T為海洋電纜所受拉力;Kc為全滑動(dòng)階段承力結(jié)構(gòu)的曲率-應(yīng)力系數(shù);Cx和Cy分別是x軸、y軸的曲率分量;θ 為鎧裝鋼絲沿圓周分布的位置角;Ni為S-N 曲線(xiàn)中應(yīng)力水平對(duì)應(yīng)的疲勞失效發(fā)生時(shí)的循環(huán)次數(shù);Ki和m均為一定環(huán)境下疲勞測(cè)試得到的材料擬合系數(shù);Δσi為交變應(yīng)力;ni為各交變應(yīng)力實(shí)際的循環(huán)次數(shù);k為海洋載荷工況數(shù)目.

海洋電纜結(jié)構(gòu)復(fù)雜,構(gòu)件眾多,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析時(shí)面臨大量不確定性因素的影響,如圖6所示[71].這些不確定性嚴(yán)重影響著海洋電纜的安全性能.海洋電纜的安全設(shè)計(jì)研究成果較少,但部分學(xué)者通過(guò)引入可靠性分析方法開(kāi)展了海洋電纜結(jié)構(gòu)的疲勞分析從而保障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性,這為海洋電纜的安全設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo).Wisrching等[72]在進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)分析之后,建議在船舶與海洋工程的疲勞可靠性分析中采用對(duì)數(shù)正態(tài)的數(shù)值分布形式.文獻(xiàn)[73]基于S-N 曲線(xiàn)方法與斷裂力學(xué)方法,考慮隨機(jī)參數(shù)的數(shù)量與特性建立了海洋柔性結(jié)構(gòu)疲勞壽命的極限狀態(tài)方程,使用響應(yīng)面法 (response surface method,RSM) 與一次二階矩法 (first order second moment,FOSM) 進(jìn)行可靠度求解,并將計(jì)算結(jié)果與蒙特卡洛方法 (Monte Carlo simulation,MCS) 進(jìn)行比較.文獻(xiàn)[71,74]研究了鋼管臍帶纜的截面強(qiáng)度可靠性,同時(shí)進(jìn)行了基于強(qiáng)度可靠性的截面優(yōu)化設(shè)計(jì).Zhao等[75]對(duì)疲勞壽命與制造失效可靠性問(wèn)題做出總結(jié),并系統(tǒng)討論了S-N 曲線(xiàn)、裂紋生長(zhǎng)以及制造的主要參量.

圖6 海洋電纜的三種典型不確定性因素Fig.6 Three uncertain factors for marine cables

3.3 海洋電纜優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

由于海洋電纜的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,首先需要考慮其電力傳輸及生產(chǎn)控制等功能需求,其次由于高度隨機(jī)性的波浪流環(huán)境載荷以及上部連接的浮體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),需要分析其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為.考慮多種失效模式對(duì)海洋電纜進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì),可以獲得安全且經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案.

應(yīng)用于深水環(huán)境開(kāi)發(fā)中的海洋電纜主要承受在位運(yùn)行中各種環(huán)境載荷,其動(dòng)態(tài)極值和疲勞壽命響應(yīng)同時(shí)受到截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量和整體線(xiàn)型設(shè)計(jì)變量的影響.海洋電纜的設(shè)計(jì)往往將截面設(shè)計(jì)和整體分析設(shè)計(jì)獨(dú)立解耦[76-77].首先基于海洋電纜初步設(shè)計(jì)將截面力學(xué)性能參數(shù)代入到整體線(xiàn)型的數(shù)值模型,加載波浪、流以及海床土壤條件,同時(shí)考慮上部浮體的RAO (response amplitude operator) 以及可能出現(xiàn)的諸多工況.分析不同海況下海洋電纜的載荷時(shí)程特征,并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析提取載荷極值和疲勞循環(huán)數(shù).其次建立海洋電纜截面理論或數(shù)值模型進(jìn)行應(yīng)力分析,評(píng)估極值和疲勞壽命是否滿(mǎn)足所要求的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.如果不滿(mǎn)足,則重復(fù)上述步驟繼續(xù)迭代,尤其在海洋電纜的整體線(xiàn)型分析的過(guò)程中需要考慮數(shù)百種工況[78],設(shè)計(jì)效率低下,且難以實(shí)現(xiàn)海洋電纜設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)化,因此優(yōu)化設(shè)計(jì)是海洋電纜領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

海洋電纜優(yōu)化執(zhí)行過(guò)程中需明確設(shè)計(jì)中的三大要素:設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)約束[79].Guarize等[80]通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的方法獲得了海洋柔性管纜整體線(xiàn)型動(dòng)態(tài)響應(yīng)的近似模型.Chen等[81]針對(duì)淺水極端工況整體線(xiàn)型的設(shè)計(jì)困難,建立了基于張力和曲率極值響應(yīng)的優(yōu)化模型,同時(shí)采用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法構(gòu)造了代理模型,通過(guò)遺傳算法求解,為螺旋纏繞結(jié)構(gòu)在極淺水中的整體線(xiàn)型設(shè)計(jì)提供了可行方案[82].上述研究工作為海洋電纜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ),但是,海洋電纜的結(jié)構(gòu)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)和截面布局優(yōu)化設(shè)計(jì)為典型的多目標(biāo)多場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題,其目標(biāo)函數(shù)往往難以通過(guò)簡(jiǎn)單的函數(shù)描述,設(shè)計(jì)變量與設(shè)計(jì)目標(biāo)之間不存在顯式的數(shù)學(xué)表達(dá).因此,通常需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)抽樣方法獲取足夠多的樣本信息[83].然后基于樣本空間構(gòu)造近似代理模型,進(jìn)而采用合適的優(yōu)化算法對(duì)海洋電纜結(jié)構(gòu)的上述集成/布局優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解.典型的海洋電纜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖7 所示.

圖7 海洋電纜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖Fig.7 The flowchart of structure optimization design of marine cables

在復(fù)雜的海洋環(huán)境中,海洋電纜的結(jié)構(gòu)響應(yīng)為典型的強(qiáng)非線(xiàn)性問(wèn)題,其設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)獲取較為困難.因此構(gòu)建合適的優(yōu)化算法對(duì)于海洋電纜結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題至關(guān)重要.目前學(xué)者解決多目標(biāo)多場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題多訴諸于智能算法[84].其中模擬退火算法(ASA)[85]、多島遺傳算法(MIGA)[86]及粒子群優(yōu)化算法(PSO)[87]得到了廣泛的應(yīng)用.許金錦[88]針對(duì)海洋電纜中鋼管單元這一主要功能與結(jié)構(gòu)構(gòu)件,考慮其尺寸與力學(xué)性能的不確定性,同時(shí)引入疲勞計(jì)算準(zhǔn)則的不確定性,開(kāi)展了在位運(yùn)行工況下海洋電纜截面的疲勞可靠性分析.同時(shí)考慮緩波型海洋電纜的抗疲勞性能和成本的雙目標(biāo)開(kāi)展了整體線(xiàn)型的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,基于RBF 代理模型技術(shù)建立優(yōu)化模型,并采用序列二次規(guī)劃法進(jìn)行優(yōu)化框架求解.Yang等[89-90]同時(shí)考慮了局部截面與整體線(xiàn)型的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)海洋電纜的集成優(yōu)化設(shè)計(jì),通過(guò)代理模型技術(shù),選擇最大張力應(yīng)變和最大彎矩來(lái)覆蓋局部-整體雙尺度特性,并通過(guò)算例驗(yàn)證了集成優(yōu)化策略的可行性和有效性.此外,針對(duì)海洋電纜填充部件的力學(xué)性能,將可移動(dòng)組件 (MMC) 理論應(yīng)用到海洋電纜復(fù)雜填充體空間的拓?fù)鋬?yōu)化方法,在相似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化領(lǐng)域具有創(chuàng)新性與開(kāi)拓性.

4 海洋電纜力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

海洋電纜由于其多構(gòu)件螺旋纏繞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),層間相互作用復(fù)雜,拉伸、扭轉(zhuǎn)及彎曲等載荷作用下導(dǎo)致其非線(xiàn)性的力學(xué)性能,造成目前的理論分析和數(shù)值模擬的研究急需實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.為了驗(yàn)證海洋電纜設(shè)計(jì)理論與工程應(yīng)用的安全性,一般需要對(duì)其開(kāi)展拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)等基本力學(xué)性能測(cè)試和疲勞等模擬工況的測(cè)試.由于海洋電纜的拉伸行為往往伴隨著截面扭轉(zhuǎn),因此本節(jié)將重點(diǎn)針對(duì)海洋電纜的拉扭、彎曲和疲勞三種載荷工況的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行論述.

4.1 拉伸與扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

拉伸與扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)是海洋電纜最基礎(chǔ)也是最重要的實(shí)驗(yàn),其關(guān)鍵在于實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量方法.鄭杰馨[91]根據(jù)測(cè)試件的需求提出了垂直拉伸與水平拉伸兩種方法進(jìn)行拉伸與扭轉(zhuǎn)測(cè)試,總結(jié)了拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中關(guān)鍵加載參數(shù)的選取方法與流程.盧青針[3]在這一基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了臥式拉伸實(shí)驗(yàn)裝置并開(kāi)展了海洋電纜拉伸性能的實(shí)驗(yàn)研究.研究發(fā)現(xiàn):對(duì)含有雙層鎧裝鋼絲的螺旋纏繞結(jié)構(gòu),為得到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,需要保持各層鋼絲的同步受力與協(xié)同變形.為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)?zāi)康?研發(fā)了一種能夠在較大拉力 (5.0 × 106N) 下有效夾持多層鋼絲的新型接頭.Figenschou等[92]與Pesce等[93]分別介紹了海洋電纜拉伸實(shí)驗(yàn)裝置.可以發(fā)現(xiàn)上述研究中大部分的拉伸實(shí)驗(yàn)裝置都采用了水平臥式的實(shí)驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu).

海洋電纜的拉伸剛度與扭轉(zhuǎn)剛度具有耦合效應(yīng),即在拉伸實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,一般會(huì)伴隨扭轉(zhuǎn)行為.規(guī)范ISO 13628-5[94]與API 17 B[95]中也指出,應(yīng)當(dāng)在拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)放松螺旋纏繞結(jié)構(gòu)一端的扭轉(zhuǎn)約束,并測(cè)量該端的扭轉(zhuǎn)角度.Vaz等[96]通過(guò)對(duì)海洋電纜進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)與扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn),得到了拉伸剛度與扭轉(zhuǎn)剛度.文獻(xiàn)[38]進(jìn)行了10 根不同海洋電纜的拉伸與扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證了其提出的海洋電纜截面拉伸與扭轉(zhuǎn)剛度的理論預(yù)測(cè)結(jié)果.上述工作為海洋電纜的理論設(shè)計(jì)提供了寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

為了驗(yàn)證海洋電纜理論與數(shù)值模型中的關(guān)鍵參數(shù),需要對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量,因此部分學(xué)者也開(kāi)展了海洋電纜拉伸與扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法的研究.Pesce等[93]、Vaz等[96]與Vargas-Londo?o等[97]均采用了應(yīng)變片測(cè)量海洋電纜內(nèi)部鋼管與鎧裝鋼絲的應(yīng)變.Santos等[98]利用Qualisys?光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)展了海洋電纜的軸向位移測(cè)量方法的研究,如圖8所示,通過(guò)該測(cè)量方法能夠更準(zhǔn)確地得到海洋電纜的拉伸剛度.de Sousa等[99]設(shè)計(jì)了徑向位移測(cè)量系統(tǒng),可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量結(jié)構(gòu)的徑向變形情況,如圖9 所示.同時(shí),力傳感器、LVDT 位移計(jì)、傾角傳感器等也是螺旋纏繞結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)廣泛應(yīng)用的傳感器.

圖8 Qualisys?光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)[98]Fig.8 Optical instrumentation using the Qualisys? system[98]

圖9 徑向位移測(cè)量系統(tǒng)[99]Fig.9 Radial displacement measure system[99]

4.2 彎曲實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

海洋電纜的顯著特點(diǎn)是通過(guò)非粘接的結(jié)構(gòu)形式來(lái)降低結(jié)構(gòu)的彎曲剛度,使其具有更好的彎曲柔順性.彎曲實(shí)驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證結(jié)構(gòu)彎曲性能設(shè)計(jì)理論.針對(duì)海洋電纜的彎曲實(shí)驗(yàn)研究主要集中在彎曲剛度實(shí)驗(yàn)方法、最小彎曲半徑實(shí)驗(yàn)方法與彎曲實(shí)驗(yàn)中內(nèi)部構(gòu)件力學(xué)響應(yīng)的測(cè)量方法三個(gè)方面.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地與實(shí)驗(yàn)要求的不同,彎曲剛度實(shí)驗(yàn)有多種方法,包括折彎、三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲和懸臂梁彎曲這四種實(shí)驗(yàn)方法.文獻(xiàn)[29,100]等采用了折彎法進(jìn)行彎曲剛度測(cè)量,如圖10 所示.折彎法通過(guò)測(cè)量試件在不同點(diǎn)處到拉緊鋼絲的距離計(jì)算該點(diǎn)曲率,通過(guò)繪制彎矩-曲率曲線(xiàn)獲得結(jié)構(gòu)的彎曲剛度.鄭杰馨[91]利用三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量了螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的彎曲剛度.盧青針[3]、Vargas-Londo?o等[97]、易小龍[101]、Andreas等[102]采用了四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量結(jié)構(gòu)的彎曲剛度,如圖11 所示.Dai等[52]、Tan等[103]、Ottesen[104]、Troina等[105]分別利用懸臂梁彎曲式實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)彎曲剛度實(shí)驗(yàn),如圖12所示.

圖10 折彎法測(cè)量彎曲剛度[29,100]Fig.10 Schematic of bending test[29,100]

圖11 四點(diǎn)彎法測(cè)量彎曲剛度[97]Fig.11 Schematic of four point bending test[97]

圖12 懸臂梁法測(cè)量彎曲剛度[52,103]Fig.12 Schematic of cantilever bending test[52,103]

海洋電纜的另一項(xiàng)關(guān)鍵彎曲性能指標(biāo)為最小彎曲半徑 (MBR).湯明剛[106]設(shè)計(jì)了螺旋纏繞結(jié)構(gòu)最小彎曲半徑測(cè)試裝置并進(jìn)行測(cè)試.Tanaka等[107]采用了光學(xué)測(cè)量方法對(duì)螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的最小彎曲半徑進(jìn)行了測(cè)量.針對(duì)彎曲實(shí)驗(yàn)過(guò)程中內(nèi)部構(gòu)件力學(xué)響應(yīng)測(cè)量方面,Vargas-Londo?o等[97]利用應(yīng)變片測(cè)量了外層鎧裝鋼絲的表面應(yīng)變,如圖13 所示.S?vik[108]、Dai等[109]進(jìn)行了海洋電纜外部鎧裝鋼絲與內(nèi)部鋼管應(yīng)變的光纖測(cè)量方法研究,如圖14 所示.Yin等[110]利用分布式光纖開(kāi)展了海洋電纜曲率測(cè)量的研究.

圖13 螺旋纏繞結(jié)構(gòu)外層鋼絲應(yīng)變測(cè)量[97]Fig.13 Strain measurement of outer tensile armor wires of multi-layer helical wound structure[97]

圖14 螺旋纏繞結(jié)構(gòu)鎧裝鋼絲光纖測(cè)量[108]Fig.14 Optical fiber measurement method of armored steel wire of multi-layer helical wound structure[108]

4.3 疲勞實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

當(dāng)前對(duì)于海洋電纜的疲勞壽命預(yù)測(cè)的理論及數(shù)值分析研究仍不完善,仍需依靠原型實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其疲勞壽命.當(dāng)前針對(duì)疲勞實(shí)驗(yàn)的研究主要集中于疲勞試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)、疲勞實(shí)驗(yàn)方法、疲勞無(wú)損檢測(cè)等方面.

文獻(xiàn)[111-112]利用SINTEF (如圖15 所示[108])的拉彎組合疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了大量海洋電纜結(jié)構(gòu)的彎曲應(yīng)力與疲勞壽命的研究.文獻(xiàn)[70,113]利用美國(guó)TMT 公司疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了疲勞實(shí)驗(yàn)方法研究并開(kāi)展了海洋電纜的疲勞實(shí)驗(yàn).此外,還有Wellstream公司、巴西C-FER 公司、COPPE 研究所、大連理工大學(xué) (如圖16 所示) 等科研機(jī)構(gòu)具備海洋電纜原型拉彎組合疲勞測(cè)試裝置并相繼開(kāi)展了疲勞實(shí)驗(yàn)方法的研究工作.在海洋電纜的疲勞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,針對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息的監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)使用應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量[114].Clarke等[115]、Jacques等[116]還開(kāi)展了聲波測(cè)量等無(wú)損檢測(cè)方式在疲勞測(cè)試中的應(yīng)用研究.

圖15 SINTEF 疲勞試驗(yàn)機(jī)[108]Fig.15 SINTEF fatigue test rig arrangement[108]

圖16 大連理工大學(xué)疲勞試驗(yàn)機(jī)[110]Fig.16 DUT fatigue testing machine[110]

5 總結(jié)與展望

隨著海洋能源開(kāi)發(fā)逐漸從近海走向深遠(yuǎn)海,更加苛刻的結(jié)構(gòu)和功能需求給海洋電纜提出了更高的技術(shù)挑戰(zhàn),蘊(yùn)含了豐富的科學(xué)問(wèn)題.本文圍繞海洋電纜設(shè)計(jì)、分析及測(cè)試等領(lǐng)域的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題的研究進(jìn)展,從理論方法、有限元仿真分析、多場(chǎng)耦合分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證等方面進(jìn)行了詳細(xì)綜述.通過(guò)對(duì)海洋電纜關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題研究成果的綜述,詳細(xì)闡述了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、研究難點(diǎn)和熱點(diǎn).以上研究成果的介紹對(duì)同樣具有多層螺旋纏繞結(jié)構(gòu)和多材料復(fù)合特點(diǎn)的海洋光纜、柔性立管、復(fù)合低溫管、漂浮管等海洋開(kāi)發(fā)裝備的研究具有重要的借鑒意義.

海洋電纜雖然在國(guó)內(nèi)外已有一些研究基礎(chǔ),但是現(xiàn)階段的國(guó)際通用規(guī)范依然采用10 倍的疲勞壽命安全系數(shù)保證海洋電纜結(jié)構(gòu)的安全性,這已經(jīng)不能滿(mǎn)足我國(guó)開(kāi)發(fā)深遠(yuǎn)海能源與資源日益苛刻的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性要求.因此以下方面的工作尚待開(kāi)展.

(1) 基于理論分析方法,針對(duì)海洋電纜在海洋環(huán)境下多工況組合載荷作用,修正傳統(tǒng)單工況理論計(jì)算方法,形成多工況多載荷耦合的理論計(jì)算公式.面向海洋電纜多層螺旋纏繞結(jié)構(gòu)特點(diǎn),考慮層間接觸摩擦的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為,構(gòu)建海洋電纜結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性力學(xué)理論.

(2) 在傳統(tǒng)有限元仿真分析的基礎(chǔ)上,開(kāi)展大規(guī)模并行計(jì)算,形成海洋電纜整體和截面多尺度耦合分析計(jì)算方法.采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù),針對(duì)螺旋纏繞結(jié)構(gòu)周期性特點(diǎn)和工程應(yīng)用中定制化特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)海洋電纜力學(xué)性能的快速分析和結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì).

(3) 海洋電纜逐漸走向多功能集成的結(jié)構(gòu)形式,在測(cè)試技術(shù)方面,探索多場(chǎng)耦合測(cè)試技術(shù)和多工況耦合加載技術(shù),突破實(shí)驗(yàn)室測(cè)試技術(shù)的多場(chǎng)、多工況耦合室內(nèi)原型測(cè)試技術(shù)瓶頸.針對(duì)特定結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作業(yè)工況,以先進(jìn)的微觀測(cè)試技術(shù)和無(wú)損檢測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)海洋電纜層間結(jié)構(gòu)及內(nèi)部構(gòu)件的精確測(cè)量和安全校核.