[發(fā)明專利]洋流沖刷下光纖復(fù)合海底電纜振動(dòng)特性的分析方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710632512.3
• 申請(qǐng)日: 2017-07-28
• 公開（公告）號(hào): CN107633109A
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宣耀偉;林曉波;汪洋;戴濤;何旭濤;沈耀軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司;國(guó)家電網(wǎng)公司;浙江舟山海洋輸電研究院有限公司
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 浙江翔隆專利事務(wù)所(普通合伙)33206
• 代理人: 王曉燕

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及海纜分析方法，尤其涉及洋流沖刷下光纖復(fù)合海底電纜振動(dòng)特性的分析方法。

背景技術(shù)

我國(guó)海岸線長(zhǎng)，島嶼眾多。為更好的利用開發(fā)島嶼海洋資源，滿足沿海島嶼開發(fā)、石油平臺(tái)、海上風(fēng)電等大量項(xiàng)目的建設(shè)需要,海底電纜的使用愈加頻繁，需求也逐年增加。而復(fù)雜的海底環(huán)境、敷設(shè)不當(dāng)或者人為的破壞使海底電纜的安全運(yùn)行面臨著巨大挑戰(zhàn)，海纜所處的特殊環(huán)境又使其故障維修十分困難，因此為保證海底電纜的正常工作，對(duì)海纜的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。

海纜一般敷設(shè)于海床上或海底淤泥中。受海底復(fù)雜地形、洋流和潮汐沖刷等因素影響，會(huì)導(dǎo)致部分海纜裸露，處于懸跨狀態(tài)，懸跨海纜受到海底波浪水流反復(fù)沖刷會(huì)出現(xiàn)磨損、疲勞等現(xiàn)象，致使海纜產(chǎn)生機(jī)械損傷，影響海纜正常工作，且目前針對(duì)光纖復(fù)合海底電纜機(jī)械損傷的研究缺乏直觀有效的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題和提出的技術(shù)任務(wù)是解決目前洋流沖刷下海纜機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)無法獲取的問題，提供洋流沖刷下光纖復(fù)合海底電纜振動(dòng)特性的分析方法，以達(dá)到監(jiān)測(cè)海纜的目的。為此，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案。

洋流沖刷下光纖復(fù)合海底電纜振動(dòng)特性的分析方法，包括以下步驟：

1）波浪力作用下的海底電纜有限元建模；

a) 幾何模型建立,對(duì)海纜進(jìn)行簡(jiǎn)化；將導(dǎo)體屏蔽層、XLPE絕緣層和絕緣屏蔽層合并形成絕緣層；忽略處理半導(dǎo)電阻水帶和黃銅帶；將海底電纜模型簡(jiǎn)化為8層結(jié)構(gòu)，由內(nèi)而外依次為銅導(dǎo)體、絕緣層、鉛合金護(hù)套、HDPE護(hù)套、PET、繩被層、鎧裝鋼絲和外被層；并設(shè)定裸露海纜長(zhǎng)度和直徑；

b)單元類型的選擇；

選用SOLID185單元和pipe59單元；SOLID185單元構(gòu)造海纜內(nèi)部三維固體結(jié)構(gòu)；pipe59單元用于模擬海纜最外層的外被層結(jié)構(gòu)；

c)網(wǎng)格劃分

采用了映射網(wǎng)格劃分、延伸網(wǎng)格劃分；對(duì)pipe59單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，周向截面劃分為八份；

d)設(shè)置邊界條件及求解條件并進(jìn)行計(jì)算；

通過對(duì)海纜模型兩端位移施加約束來模擬懸跨海纜；設(shè)定波浪高度，周期，海流速，水流及波浪作用力方向，并施加重力加速度；

設(shè)置分析類型為瞬態(tài)分析，設(shè)定模型計(jì)算時(shí)間及時(shí)間步長(zhǎng)，開始仿真計(jì)算；

2）有限元結(jié)果數(shù)據(jù)提取與分析；

a)銅導(dǎo)體數(shù)據(jù)分析；提取銅導(dǎo)體位移、應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，獲取銅導(dǎo)體位移云圖及位置-位移曲線、銅導(dǎo)體應(yīng)力云圖及位置-應(yīng)力曲線、銅導(dǎo)體應(yīng)變?cè)茍D及位置-應(yīng)變曲線；

b)鋼鎧數(shù)據(jù)分析；獲取設(shè)定時(shí)間后的鋼鎧位移云圖及應(yīng)力云圖；比對(duì)鋼鎧應(yīng)力分布情況與銅導(dǎo)體的應(yīng)力分布情況；

c)光單元數(shù)據(jù)分析；獲取光單元位移及加速度云圖，分析光單元的位移云圖與加速度云圖的關(guān)系；判斷光單元的位移與加速度之間是否存在正相關(guān)，若是，則提取光單元中心節(jié)點(diǎn)處x、y、z方向上的加速度數(shù)據(jù)，得到加速度隨時(shí)間變化的曲線，對(duì)該曲線進(jìn)行快速傅里葉變換，得到了中心節(jié)點(diǎn)的幅頻曲線圖，獲得x、y、z方向上產(chǎn)生最大幅值的頻率；

3）海纜振動(dòng)分析；根據(jù)光單元的位移、加速度、頻率之間的關(guān)系，通過光纖振動(dòng)監(jiān)測(cè)海纜情況。

進(jìn)一步的，設(shè)定波浪高0~10m，周期0~10s，海流速為0~5m/s勻速水流，水流及波浪作用力方向?yàn)榇怪焙＠|軸向90度；并施加重力加速度。

進(jìn)一步的，模型計(jì)算時(shí)間設(shè)定為100s，時(shí)間步長(zhǎng)1s。

有益效果：對(duì)海纜進(jìn)行波浪力作用下的動(dòng)力學(xué)有限元分析，了解海纜各層受力情況，可為利用分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)海纜工作狀態(tài)提供理論依據(jù)；通過光纖傳感技術(shù)完成對(duì)海纜振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，成本低，可進(jìn)行非現(xiàn)場(chǎng)判斷，效率高。對(duì)海纜的研究直觀有效。

附圖說明

圖1是光纖復(fù)合海底電纜截面圖。

圖2是模型整體網(wǎng)格劃分效果圖。

圖3是施加載荷后的整體模型圖。

圖4（a）是銅導(dǎo)體位移云圖。

圖4（b）是銅導(dǎo)體位置-位移曲線圖。

圖5 (a)是銅導(dǎo)體應(yīng)力云圖。

圖5 (b)是銅導(dǎo)體位置-應(yīng)力曲線圖。

圖6(a)是銅導(dǎo)體應(yīng)變?cè)茍D。

圖6(b)是銅導(dǎo)體位置-應(yīng)變曲線圖。

圖7(a)是鋼鎧位移云圖。

圖7(b)是鋼鎧應(yīng)力云圖。

圖8(a)是光單元位移云圖。

圖8(b)是光單元加速度云圖。

圖9是光單元中心點(diǎn)時(shí)間-加速度及幅頻曲線圖。

圖10是本發(fā)明流程圖。