[發明專利]復合海纜應力場建模計算分析方法

有效

• 申請號: 201210217887.0
• 申請日: 2012-06-28
• 公開（公告）號: CN102831290A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發明（設計）人: 周蓉蓉;安博文;周靈;劉頻頻
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 上海信好專利代理事務所(普通合伙) 31249
• 代理人: 周榮芳

技術領域

本發明涉及光電復合海纜分布式實時監控測量技術，特別涉及一種復合海纜應力場建模計算分析方法。

背景技術

光電復合海纜在運行過程中敷埋在海底，船錨、漁具拖網等外力都可能造成海纜的破壞，因此需要對光電復合海纜的光纖應變進行監測，從而實現對外力引起的海纜應變初期進行監測告警。目前我們一般利用布里淵光時域分析儀（簡稱BOTDA分析儀）來獲取光電復合海纜的光纖頻譜偏移，但是并不知道引起頻譜偏移的外因是海纜的局部發熱還是受外力作用。而且現實條件不允許我們通過實驗來獲取海纜內部光纖的應變數據，又缺乏將海底電纜局部發熱和外力作用引起的頻譜偏移進行區分的方法，因此，往往難以查明故障原因。

發明內容

本發明的目的是提供一種復合海纜應力場建模計算分析方法，具體通過一種利用有限元法對光電復合海纜進行應力場建模計算，來建立光電復合海纜中的光纖應力、應變與海纜實際距離對應的數據關系的方法，從而得出外力作用下光纖中的頻譜偏移規律，進而將其與海纜局部受熱的外因進行區分。

為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供一種復合海纜應力場建模計算分析方法，是基于有限元法對建立復合海纜受外力作用下的應力場模型，以模擬海纜中光纖的應變情況的方法；該方法包含以下步驟：

步驟1，根據復合海纜的物理結構尺寸圖，繪制海纜的二維平面圖；

步驟2，查找海纜中各個零部件對應的材料參數供建模查找使用；

步驟3，根據步驟1所述的二維平面圖，建立海纜中各個零件分別對應的模型；

步驟4，根據步驟2中獲取的材料參數，為每個零部件的模型賦予相應的材料屬性；

步驟5，將所有零部件的模型在進行組裝，來建立包含這些零部件的一根海纜的模型；

步驟6，設定后續模型分析處理中所需的相關變量；所述變量包含初始分析步長和分析步數量，以及包含應力、彈性應變和位移的場變量輸出；

步驟7，建立海纜模型中裝配好的各個零部件之間相互的綁定約束關系；

步驟8，定義海纜兩端的固支邊界條件，定義受力面，并施加相應的載荷；

步驟9，對海纜中每個零部件劃分網格；至此，完成對海纜模型的前處理；

步驟10，進入后處理，獲取海纜模型在不同載荷、邊界條件下，海纜內光纖的應力、應變與海纜實際距離的對應關系數據，根據這些關系數據計算得到外力作用下光纖中的頻譜偏移規律，從而對海纜由外力作用和局部發熱造成的頻譜偏移進行區分。

該方法的步驟2中所述材料參數包含海纜中各個零部件的彈性模量、密度和比熱容。

該方法的步驟6中進一步包含根據后續對模型分析計算中所需的收斂效果，來調整初始分析步長及分析步數量的變量大小的過程。

該方法的步驟9中還包含根據后續對模型分析計算中所需的收斂效果，將海纜中若干個零部件進行合并后再進行網格劃分的過程，以及根據后續對模型分析計算中所需的收斂效果，調整網格劃分時使用的網格大小、單元類型和劃分算法的過程。

該方法的步驟10中進一步包含根據海纜模型在不同載荷及邊界條件下受到的應力應變，繪制海纜受力集中處及海纜整體的云紋圖并進行分析的過程，以及繪制海纜內光纖的軸向應變圖，以分析海纜內光纖應力應變與海纜實際距離的對應關系的過程。

現有的條件下只允許通過BOTDA分析儀監測海纜內部光纖的實時溫變，而根據測到的異常溫變往往難以判斷引起異常的原因。與之相比，本發明所述復合海纜應力場建模計算分析方法，通過有限元法來建立海纜的三維模型，施加類似船錨拉力的載荷來進行模擬，通過計算分析得出海纜內光纖的光纖應變規律，提取相應數據來生成海纜內光纖的應力、應變與海纜實際距離之間的對應關系表，從而得出外力作用下光纖中的頻譜偏移規律，從而區分外力作用和局部發熱對光纖造成的頻譜偏移，實現對海纜的初期檢測告警以及時防止故障惡化。比起通過實驗的方法獲得的應變數據，本發明能夠節省大量的財力物力，有效協助監測并判斷海纜的故障原因。

附圖說明

圖1是通過本發明所述復合海纜應力場建模計算分析方法繪制的海纜二維平面圖；

圖2是通過本發明所述建模計算分析方法繪制的海纜模型的側面圖；

圖3是通過本發明所述建模計算分析方法給出的海纜受力集中處的云紋圖；

圖4是通過本發明所述建模計算分析方法給出的模型受力后整體的云紋圖；

圖5是通過本發明所述建模計算分析方法給出的海纜內光纖軸向應變圖。

具體實施方式