洋流冲刷下光纤复合海底电缆振动特性的分析方法与流程

本发明涉及海缆分析方法，尤其涉及洋流冲刷下光纤复合海底电缆振动特性的分析方法。

背景技术：

我国海岸线长，岛屿众多。为更好的利用开发岛屿海洋资源，满足沿海岛屿开发、石油平台、海上风电等大量项目的建设需要,海底电缆的使用愈加频繁，需求也逐年增加。而复杂的海底环境、敷设不当或者人为的破坏使海底电缆的安全运行面临着巨大挑战，海缆所处的特殊环境又使其故障维修十分困难，因此为保证海底电缆的正常工作，对海缆的工作状态进行实时监测具有十分重要的意义。

海缆一般敷设于海床上或海底淤泥中。受海底复杂地形、洋流和潮汐冲刷等因素影响，会导致部分海缆裸露，处于悬跨状态，悬跨海缆受到海底波浪水流反复冲刷会出现磨损、疲劳等现象，致使海缆产生机械损伤，影响海缆正常工作，且目前针对光纤复合海底电缆机械损伤的研究缺乏直观有效的方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是解决目前洋流冲刷下海缆机械振动状态无法获取的问题，提供洋流冲刷下光纤复合海底电缆振动特性的分析方法，以达到监测海缆的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

洋流冲刷下光纤复合海底电缆振动特性的分析方法，包括以下步骤：

1）波浪力作用下的海底电缆有限元建模；

a)几何模型建立,对海缆进行简化；将导体屏蔽层、xlpe绝缘层和绝缘屏蔽层合并形成绝缘层；忽略处理半导电阻水带和黄铜带；将海底电缆模型简化为8层结构，由内而外依次为铜导体、绝缘层、铅合金护套、hdpe护套、pet、绳被层、铠装钢丝和外被层；并设定裸露海缆长度和直径；

b)单元类型的选择；

选用solid185单元和pipe59单元；solid185单元构造海缆内部三维固体结构；pipe59单元用于模拟海缆最外层的外被层结构；

c)网格划分

采用了映射网格划分、延伸网格划分；对pipe59单元进行网格划分时，周向截面划分为八份；

d)设置边界条件及求解条件并进行计算；

通过对海缆模型两端位移施加约束来模拟悬跨海缆；设定波浪高度，周期，海流速，水流及波浪作用力方向，并施加重力加速度；

设置分析类型为瞬态分析，设定模型计算时间及时间步长，开始仿真计算；

2）有限元结果数据提取与分析；

a)铜导体数据分析；提取铜导体位移、应力、应变数据，获取铜导体位移云图及位置-位移曲线、铜导体应力云图及位置-应力曲线、铜导体应变云图及位置-应变曲线；

b)钢铠数据分析；获取设定时间后的钢铠位移云图及应力云图；比对钢铠应力分布情况与铜导体的应力分布情况；

c)光单元数据分析；获取光单元位移及加速度云图，分析光单元的位移云图与加速度云图的关系；判断光单元的位移与加速度之间是否存在正相关，若是，则提取光单元中心节点处x、y、z方向上的加速度数据，得到加速度随时间变化的曲线，对该曲线进行快速傅里叶变换，得到了中心节点的幅频曲线图，获得x、y、z方向上产生最大幅值的频率；

3）海缆振动分析；根据光单元的位移、加速度、频率之间的关系，通过光纤振动监测海缆情况。

进一步的，设定波浪高0~10m，周期0~10s，海流速为0~5m/s匀速水流，水流及波浪作用力方向为垂直海缆轴向90度；并施加重力加速度。

进一步的，模型计算时间设定为100s，时间步长1s。

有益效果：对海缆进行波浪力作用下的动力学有限元分析，了解海缆各层受力情况，可为利用分布式光纤振动传感技术监测海缆工作状态提供理论依据；通过光纤传感技术完成对海缆振动的实时监测，成本低，可进行非现场判断，效率高。对海缆的研究直观有效。

附图说明

图1是光纤复合海底电缆截面图。

图2是模型整体网格划分效果图。

图3是施加载荷后的整体模型图。

图4（a）是铜导体位移云图。

图4（b）是铜导体位置-位移曲线图。

图5(a)是铜导体应力云图。

图5(b)是铜导体位置-应力曲线图。

图6(a)是铜导体应变云图。

图6(b)是铜导体位置-应变曲线图。

图7(a)是钢铠位移云图。

图7(b)是钢铠应力云图。

图8(a)是光单元位移云图。

图8(b)是光单元加速度云图。

图9是光单元中心点时间-加速度及幅频曲线图。

图10是本发明流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图10所示，本发明包括以下步骤：

1）波浪力作用下的海底电缆有限元建模；

a)几何模型建立,对海缆进行简化；将导体屏蔽层、xlpe绝缘层和绝缘屏蔽层合并形成绝缘层；忽略处理半导电阻水带和黄铜带；将海底电缆模型简化为8层结构，由内而外依次为铜导体、绝缘层、铅合金护套、hdpe护套、pet、绳被层、铠装钢丝和外被层；并设定裸露海缆长度和直径；

b)单元类型的选择；

选用solid185单元和pipe59单元；solid185单元构造海缆内部三维固体结构；pipe59单元用于模拟海缆最外层的外被层结构；

c)网格划分

采用了映射网格划分、延伸网格划分；对pipe59单元进行网格划分时，周向截面划分为八份；

d)设置边界条件及求解条件并进行计算；

通过对海缆模型两端位移施加约束来模拟悬跨海缆；设定波浪高度，周期，海流速，水流及波浪作用力方向，并施加重力加速度；

设置分析类型为瞬态分析，设定模型计算时间及时间步长，开始仿真计算；

2）有限元结果数据提取与分析；

a)铜导体数据分析；提取铜导体位移、应力、应变数据，获取铜导体位移云图及位置-位移曲线、铜导体应力云图及位置-应力曲线、铜导体应变云图及位置-应变曲线；

b)钢铠数据分析；获取设定时间后的钢铠位移云图及应力云图；比对钢铠应力分布情况与铜导体的应力分布情况；

c)光单元数据分析；获取光单元位移及加速度云图，分析光单元的位移云图与加速度云图的关系；判断光单元的位移与加速度之间是否存在正相关，若是，则提取光单元中心节点处x、y、z方向上的加速度数据，得到加速度随时间变化的曲线，对该曲线进行快速傅里叶变换，得到了中心节点的幅频曲线图，获得x、y、z方向上产生最大幅值的频率；

3）海缆振动分析；根据光单元的位移、加速度、频率之间的关系，通过光纤振动监测海缆情况。

对海缆进行波浪力作用下的动力学有限元分析，了解海缆各层受力情况，可为利用分布式光纤振动传感技术监测海缆工作状态提供理论依据；通过光纤传感技术完成对海缆振动的实时监测，成本低，可进行非现场判断，效率高。

下面就具体实施方式对本发明做进一步的说明。

1、波浪力作用下的海底电缆有限元建模

1.1几何模型建立

本实施例采用yjq41型单芯xlpe绝缘光纤复合海底电缆，其截面如图1所示。其中钢丝铠装和pet填充条(包含光纤)均呈绞合结构，且二者绞合方向相反；铜导体呈圆柱形结构；其他部分呈圆环体结构。

该型号海缆共有12层，结构复杂，仿真计算困难。为降低有限元模型计算耗时，在保证力学结构真实性的前提下，对海缆模型进行了简化。导体屏蔽2和绝缘屏蔽4厚度小、且机械特性与xlpe相近，对其进行合并；半导电阻水带5和黄铜带8厚度小、机械强度弱，做忽略处理。据此将海底电缆模型简化为8层结构，由内置外依次为铜导体1、xlpe绝缘3、铅合金护套6、hdpe（高密度聚乙烯）护套7、pet9(含光单元10)、绳被层11、铠装钢丝12和外被层13。

本实施例模型中，裸露海缆长度为150cm，直径为10.9cm。

1.2单元类型的选择

本实施例海底电缆模型选用solid185单元和pipe59单元。其中solid185单元有8个节点，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度，单元具有超弹性、应力钢化、蠕变、大应变能力，用于构造海缆内部三维固体结构；pipe59单元的每个节点有六个自由度，即沿x，y，z方向的线位移及绕x，y，z轴的角位移；该单元是一种可承受拉、压、弯作用,并且能够模拟海洋波浪和水流的单轴单元。这个单元还适合刚度硬化和非线性大应变问题^[8]，因此可用来建立位于海缆最外层的外被层结构。

1.3网格划分

在有限元分析中，网格的划分对结果的准确性有重要影响，网格的质量直接决定计算结果的准确性。ansys提供了多种网格划分的方式，因本实施例中海缆模型较为规则，故对其网格划分时主要采用了两种网格划分方式，即映射网格划分、延伸网格划分。对pipe59单元进行网格划分时，使用其默认设置，周向截面划分为八份即可。通过以上两种划分方式充分的保证了网格的规则性和均匀性，提高了模型计算精度，缩短了计算时间，模型整体网格划分效果如图2所示。

1.4设置边界条件及求解条件

本实施例用于模拟海缆悬跨状态下，受波浪水流作用时的振动情况。海缆悬跨，即海缆两端由土层覆盖固定，中间处于裸露悬空状态，因此可通过约束海缆模型两端的位移来模拟悬跨海缆。设定波浪高0.1m，周期1s，海流速为2m/s匀速水流，水流及波浪作用力方向为90度，即-y到+y方向。另外需施加重力加速度。施加约束条件后的整体模型如图3所示。

为保证模型计算的收敛性，设置完边界条件后，需进一步对求解条件进行设定。设置分析类型为瞬态分析，并打开大变形选项；本实施例模型计算时间设定为100s，时间步长1s。

2、有限元仿真结果

2.1铜导体数据分析

铜导体承担着电能传输的重要任务，对其工作状态进行实时监测十分重要。在波浪与水流的冲击作用下，铜导体受力，状态发生变化，长期作用下可能会造成其机械损伤。

本实施例通过提取铜导体位移、应力应变等数据，对其工作状态进行了分析，为光纤监测海缆状态提供了数据支持。

在波浪力作用于海缆100s后，铜导体位移云图及位置-位移曲线如图4（a）和图4（b）所示。由图4（a）可以看出，铜导体中间位置（75cm处）位移最大，由中间到两侧位移逐渐减小，直至两端为0；提取铜导体纵向位移数据并绘制位置-位移曲线如图4（b）所示。图中横轴为铜导体纵向位置(单位cm)，纵轴为铜导体位移(单位cm)，由图可以看出，从0cm处开始位移逐渐增加，75cm处位移达到最大值，而后位移又逐渐减小，且曲线关于线x=75左右对称。

100s时，铜导体应力云图及位置-应力曲线如图5所示。图5（b）中横轴为铜导体纵向坐标值(单位cm)，纵轴为对应应力值单位(单位0.1mpa)。该图反映了铜导体不同位置的受力情况，由图可知铜导体两端所受应力最大，由两端至中间应力先减小后增大，分别在30cm和120cm附近应力达到最小值，而后应力值又开始有所上升，且铜导体应力值呈对称分布。此外，铜导体应变云图及位置-应变曲线如图6（a）、图6（b）所示，图6（b）中应变分布与图5（b）中应力分布趋势对应。

2.2钢铠数据分析

钢铠层为绞合层，100s后其位移及应力分布如图7(a)、图7(b)所示。钢铠两端受限，受来自y轴方向的波浪和水流冲击力，中间位置处的y轴方向上位移最大，由中间至两端位移逐渐减小，且关于中间位置对称。z轴方向受水流冲击力小，位移变化不明显。从应力云图可以看出钢铠应力分布情况与铜导体的应力分布情况基本一致。

2.3光单元数据分析

提取光单元位移及加速度云图，如图8(a)、图8(b)所示；由图8(b)可知光单元中间位置加速度最大，至两端逐渐减小，且对称分布。加速度越大，速度变化越快，产生位移变化也就越明显，故图8(a)的位移云图与加速度云图分布大致相同，呈正相关。

此外，分别提取光单元中心节点（节点1260）处x、y、z方向上的加速度数据，画出加速度随时间变化的曲线，如图9中(1)、(3)、(5)图所示。为更直接的看出光单元的频率变化，对其进行了fft变换(快速傅里叶变换)，得到了中心节点的幅频曲线图，如图9中(2)、(4)、(6)图所示，可以直观的看出x、y、z方向上在频率50hz左右产生最大幅值。

现有国产光纤振动传感的可测范围为1000hz以内，根据以上分析，在实际中可应用分布式光纤传感技术完成对海缆振动的实时监测。

以上图10所示的洋流冲刷下光纤复合海底电缆振动特性的分析方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。