[發明專利]一種海纜彎曲保護器的拓撲優化設計方法

在審

• 申請號: 202010632064.9
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111814285A
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 楊志勛;朱鵬程;閻軍;盧青針;史冬巖;吳尚華;袁振卿;鄒科;陳金龍;尹原超;胡海濤;英璽蓬;周保順;蘇琦;秦安壯;步宇峰;王立夫;殷旭;毛彥東;邢程程
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G06F30/18
• 分類號: G06F30/18;G06T17/20;G06F111/04;G06F113/16;G06F111/06
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

本發明公開了一種海纜彎曲保護器的拓撲優化設計方法，建立海纜彎曲保護器的初始三維模型；將初始三維模型導入到HyperMesh軟件OptiStruct模塊中；對初始三維模型進行網格劃分并定義其材料屬性；對海纜彎曲保護器的三維模型進行拓撲優化設計：創建三個載荷集和兩個工況、確定載荷集的載荷和約束、定義拓撲優化設計變量，選擇拓撲優化模型組件將所有設計屬性均包含在初始三維模型內，定義初始三維模型的質量分數下限值和目標函數為最小應變能，對海纜彎曲保護器的密度進行迭代優化并計算求解；將二維拓撲優化設計結果與三維拓撲優化設計結果進行對比驗證三維拓撲優化設計結果的準確性。

技術領域

本發明涉及海洋機械技術領域，尤其涉及一種海纜彎曲保護器的拓撲優化 設計方法。

背景技術

現在99％的越洋互聯網數據傳輸通過海底電纜進行傳輸，海底電纜的發展 獲得了巨大的增長。海底電纜是海上風場開發的關鍵裝備之一。為了防止樁基 附近的海纜在位過程中發生破壞，需要用彎曲保護器裝置對海纜進行彎曲保護。 目前我國彎曲保護器裝置產業正處于起步階段，有必要盡快掌握彎曲保護器裝 置的優化設計技術。

風電樁基附近的海纜在安裝以及在位運行的過程中，會承受自重、風浪、 海流、樁基、海床等因素的共同作用，由于海纜的彎曲剛度較小，海纜和固定 端連接處很可能發生彎曲破壞，海纜及其彎曲保護器裝置安裝示意圖如圖1所 示。一旦海纜發生破壞，會造成很大的經濟損失。為了防止海纜發生破壞，需 要采用各種防護技術以及防護裝備對其進行保護。其中，彎曲保護器裝置就是 一種很重要的防護裝備，彎曲保護器裝置通過各子結構之間相互扣鎖的方式為 海纜附加額外的彎曲剛度，從而達到有效防止海纜發生彎曲破壞的目的，海纜 彎曲保護器裝置結構原理如圖2和圖3所示。

目前，國內外的學術研究多集中在海纜整體線型和局部截面結構強度和疲 勞分析設計方面，對于風電海纜應用中的彎曲保護器裝置以及彎曲保護器設計 和優化的少有研究。由于海纜對于彎曲保護器裝置的需求量之大，需要對現有 的彎曲保護器裝置進行優化，在保證彎曲保護能力的同時，走低成本的發展之 路才是正確的選擇。傳統的海纜彎曲保護器設計優化往往比較保守，僅僅在結 構尺寸上做有限的修整，結構形式仍然龐大而且笨重，相應的生產安裝費用得 不到有效的縮減。因此，設計一種合理并且輕量化的海纜彎曲保護器已成為我 國海洋發展的迫切需求了。

發明內容

根據現有技術存在的問題，本發明公開了一種海纜彎曲保護器的拓撲優化 設計方法，通過該方法能夠保持在原有工作強度基礎上減輕重量，使得整體結 構形狀趨于更加美觀的流線型，且應力分布均勻，從而提高結構安全系數和服 役壽命。

為實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現的：

建立海纜彎曲保護器的初始三維模型；

對海纜彎曲保護器的原始結構進行拓撲優化設計，將初始三維模型導入到HyperMesh軟件OptiStruct模塊中；

對初始三維模型進行網格劃分并定義其材料屬性；

對海纜彎曲保護器的三維模型進行拓撲優化設計：創建三個載荷集和兩個 工況、確定載荷集的載荷和約束、定義拓撲優化設計變量，選擇拓撲優化模型 組件將所有設計屬性均包含在初始三維模型內，定義初始三維模型的質量分數 下限值和目標函數為最小應變能，對海纜彎曲保護器的密度進行迭代優化并計 算求解；

選取初始三維模型的二維旋轉面重新分析從而進行二維拓撲優化設計，將 二維拓撲優化設計結果與三維拓撲優化設計結果進行對比驗證三維拓撲優化設 計結果的準確性。

提取海纜彎曲保護器三維模型的拓撲優化結果，利用MATLAB軟件將優化后 的三維模型顯示在圖像上，選擇三維模型過渡處的關鍵點，將關鍵點的坐標輸 入MATLAB程序中擬合出貝塞爾曲線并進行平滑線處理從而輸出結果曲線。