[發明專利]一種用于測試深海鋼管臍帶纜剛度特性的方法

在審

• 申請號: 201710408675.3
• 申請日: 2017-06-02
• 公開（公告）號: CN107687982A
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發明（設計）人: 荊彪;夏峰;陳凱;俞國軍;朱艷杰
• 申請（專利權）人: 寧波東方電纜股份有限公司
• 主分類號: G01N3/20
• 分類號: G01N3/20;G01N3/32
• 代理公司: 北京君恒知識產權代理事務所(普通合伙)11466
• 代理人: 黃啟行,張璐

技術領域

本發明涉及海洋技術領域，尤其涉及一種用于測試深海鋼管臍帶纜剛度特性的方法。

背景技術

臍帶纜是將電纜、光纜、鋼管或軟管中的一種或幾種通過一定方式組合在一起，從而實現不同介質的集成化傳輸，是水下生產系統中必不可少的重要組成部分。為了對臍帶纜使用期間的安全性進行分析，需要對臍帶纜截面的基本剛度特性參數進行評估，臍帶纜纜體剛度對后續安裝鋪設線型分析和在位運行荷載計算有著重要的指導意義。很多學者和研究人員采用理論模型和有限元模型對臍帶纜剛度進行分析計算。理論方法一般通過建立螺旋纏繞圓柱的簡化理論模型，來進行臍帶纜相應剛度的分析和計算，從而得到纜體在荷載作用下的變形響應表達式，早期Costello和Phillips等對螺旋彈簧的基本力學行為分析進行了詳細的闡述，得到螺旋結構單元剛度的理論解析式，McConnell和Zemke基于材料力學基本理論對單根螺旋線纏繞中心圓柱的結構進行了拉扭耦合分析，進而基于小變形線性假設，疊加得到結構整體的對稱荷載響應，但忽略了層內纏繞構件之間的相互作用，適用范圍較小。

眾多研究人員對臍帶纜剛度特性進行了豐富的理論研究與有限元研究，這種理論與有限元研究通常對模型進行簡化處理，且有限元程序復雜，需要大量編程代碼，對臍帶纜復雜結構進行分析時易發散難于收斂，雖然理論研究由許多學者不斷改進提高了計算速率與精度，但同時也約束其求解范圍和邊界條件，具有一定局限性，故需對臍帶纜剛度特性進行相應的試驗研究。

發明內容

本發明針對現有技術不足，提供一種用于測試深海鋼管臍帶纜剛度特性的方法，突破理論分析計算，獲取實際臍帶纜相關性能參數，這些物理參數可用于臍帶纜的安裝工況和在位運行工況，有效監控其使用性能，提高使用安全。

為解決上述技術問題，本發明通過以下技術方案得以解決：一種用于測試深海鋼管臍帶纜剛度特性的方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一、制備樣本，將試驗樣本截為分別具有長為L1的樣本A1、長度為L2的樣本A2以及長度為 L3的樣本A3；步驟二、拉伸剛度的測試，選取試驗樣纜A1，其安裝工作載荷為65KN，試驗開始前，需將試驗樣纜A1一端采用固定裝置固定，另一端固定于液壓伺服作動器的頂部，采用加載和卸載兩次載荷循環來進行臍帶纜的拉伸測試，將拉伸載荷逐步遞增至3T，且以相同的加載速率進行卸載，進行2次試驗拉伸，通過試驗測試可得到試驗樣纜A1拉伸載荷與軸向變形之間的關系；步驟三、扭轉剛度測試，選取試驗樣纜A2，對其軸向施加兩個拉伸載荷，試驗樣纜 A2一端用接頭固定在支撐架上，另一端用軸承支撐，用力臂桿在試件的軸承端施加扭矩作用，通過力傳感器控制力F₁的大小，并用位移計測量臂桿上距離試件軸心距離r點處的位移大小，并換算出單位長度扭轉角度α₁，通過對扭矩加載處施加扭矩，在接頭固定端用力傳感器測得所施加的力的大小F₁，在軸承支撐端用位移計測得施加扭矩所轉過的位移S，設纜體長度為L₂，力傳感器距離纜體中心軸線的距離為R，位移計距離纜體中心軸線的距離為r，可得到扭矩的大小為：

T＝F₁R

單位長度纜體所扭轉的角度為：

α₁＝S/RL₂

將所得試驗數據換算成扭矩T和單位長度轉角α₁后，單位長度轉角α₁作橫坐標，扭矩T作縱坐標，即可得到扭矩與扭轉角關系曲線；步驟四、彎曲剛度測試，將樣纜A3的A、B兩端固定，并使樣纜A3處于水平狀態；在樣纜A3的固定端中點處C的兩側D、E位置上設置兩個位移傳感器，并且位移傳感器距離中點C處的位移為b，兩個位移傳感器于樣纜A3中點C對稱，位移傳感器與控制系統電連接；沿樣纜A3上G、H處施加拉伸載荷F₂，受力點距離A、B固定端位移為a，將拉力傳感器連接至拉力繩，并將其與控制系統電連接，整個試驗操作采用同一控制系統，

樣纜A3在彎曲過程中的彎曲剛度：

式中：EI表示臍帶纜的彎曲剛度，l為臍帶纜兩個支撐點A、B之間的距離，a 表示臍帶纜上的徑向拉力加載點至與其對應一端的臍帶纜支撐端的距離，Δc表示臍帶纜在受徑向拉力后中點C產生的徑向位移量，臍帶纜彎曲過程中，曲率表達式為：

κ表示臍帶纜的曲率，△D表示臍帶纜在受徑向拉力后其D點產生的徑向位移量，△E表示臍帶纜在受徑向拉力后其E點產生的徑向位移量，b表示移傳感器到臍帶纜的中點C的距離；