用于评估主动升降补偿绳索的温度的方法与流程

本发明涉及一种用于评估主动升降补偿绳索的温度的方法。特别地，本发明测量由于绳索以操作速度在滑轮上来回移动产生的温度，并且分析在金属丝上施加热场的结果。

背景技术：

众所周知，金属丝绳索或简单地绳索广泛地用于海底设备，然而近年来对于能够承受更苛刻工作条件的金属丝绳索的需求已经有了急剧的增长。用户需要能够经受更重的工作和负荷的更大且更长的金属丝绳索。所有这些已经迫使金属丝绳索制造商处理该需求，以更好、更大、更强力地解决不断更大的动态负载以及更极端的弯曲循环。主动升降补偿系统(ahc)是影响废弃和回收应用中金属丝绳索的预期寿命最多的因素之一。使用ahc以通过削弱由于离岸气候引起的水的移动及因而船的移动而相对于海底保持负载稳定。

相对于平衡点的这些持续来回绳索移动在绳索上引起过大的应力，这是由重复拉伸和弯曲以及动态加载而引起的。这些因素导致对绳索的相同部分的磨损、疲劳和温度增大，而有效载荷相对于海底是静态的。在近年期间已经对较细的绳索研究了钢丝绳索在其使用期限内的疲劳损伤特征(其已经是schremsk.于1994年在testingandevaluation第5期第22卷490-499页的“wear-relatedfatigueinawireropefailure”中深度研究的主体)，然而缺少关于更大直径的信息和研究，而且尚未深度处理温度对绳索的机械性能的影响。

多年来，已经在很大程度上研究了导致高碳拉制钢丝的机械性能变化的处理。然而，任何已知方法都未聚焦于研究关于导致产生发热的相关机制和温度的特定感兴趣窗口。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于在强烈使用ahc期间评估在绳索上产生的热量的方法。在暴露于热循环下，高度硬化拉制金属丝经历机械性能的改变。这些特征是断裂强度(rm)、屈服强度(rp02)和断裂伸长率(ez)，断裂伸长率的定义为：

ez＝100(l-l0)/l0，其中l0是金属丝的初始长度，而l是金属丝断裂时的长度。

对这些改变的研究突显了在金属丝暴露至通常在50℃至150℃的范围(根据从场收集的数据)内的热场时材料的延展性更快速地退化。因而，本发明的一个方面是研究在所提及的温度范围(根据从场获得的数据)内热影响如何引起延展性快速退化的方法。特别地，所述方法评估绳索达到的温度，并且将该温度与预定温度阈值进行比较，高于所述预定温度阈值会引起延展性的快速退化。

根据本发明，描述了一种用于评估主动升降补偿绳索中的温度的方法，该方法具有如所附独立权利要求中所述的特征。

优选和/或尤为有利的是，根据所附从属权利要求中的特征，描述了本发明的其他实施例。

附图说明

现在将参考附图描述本发明，附图示出了一些非限制性实施例，即：

图1示出了根据本发明的方法的流程图；

图2是金属丝绳索的几何结构的示意图；

图3a是经受轴向扭转载荷和弯曲载荷的笔直绳的示意图；

图3b是在金属丝横截面上具有概括化应力的笔直绳的示意图；

图4是示出绳索对绳索机械模型的横截面弯曲响应的图。

具体实施方式

已经关联机械模型和热模型限定了用于评估主动升降补偿绳索中的温度的方法。已经通过进行大量实验性活动而进行了模型的校正。已经组合各输入(载荷、速度、d/d)与绳索进行了设定测试，以确定金属丝绳索相对于环境温度的内部和外部温度变化(δt)。

现在参考附图并且特别地参考图1，用于评估主动升降补偿绳索中的温度的方法s100包括下列按照时间顺序的步骤：

-s110将金属丝绳索的几何结构描述为通过分层级组装螺旋部件而获得的复合结构，所述层级是金属丝、绳和绳索自身；

-s120使用绳的机械模型，其示出了在线弹性行为的假设下每条金属丝的材料性能；

-s130使用绳索的机械模型，其示出了拉伸载荷和所施加的弯曲曲率的组合作用；

-s140使用用于相对于环境温度评估绳索温度ts的热模型，热模型包括两个主要损耗源：绳或绳索与滑轮之间的摩擦、以及金属丝之间或绳之间的摩擦。

-s150比较通过热模型获得的温度ts与预定温度阈值的值。

金属丝绳索的几何结构具有通过分层级组装螺旋部件而获得的复合结构：绳被螺旋地扭绞并且以同心层聚集以形成绳索，并且采用相同的处理由金属丝形成绳。绳索的内部结构完全由处于每个层级的每个元件的横截面的定向和中心线限定。作为示例，关于图1中的金属丝绳索，可以确定下列层级：金属丝、绳和绳索自身，并且关于每个元件，区域参考系可以由serret-frenet单位矢量限定。绳的中心线通过绳索的参照系内的圆柱形螺旋部来进行描述，而金属丝的中心线通过绳的参照系内的圆柱形螺旋部(以及通过绳索的参照系内的双股或嵌套的螺旋部)来进行描述。因而，在处于更高层级的部件的参照系中部件横截面的位置和定向完全限定为两个结构参数(螺旋半径r和绞距p)以及掠角θ的函数。特别地，对于绳中的金属丝，这三个参数被称为关于绳中的金属丝的rw、pw和θw，而对于绳索中的绳这三个参数被称为rs、ps和θs。

绳的几何参数(螺旋半径rs、绞距ps和掠角θs)用作为构建绳的机械模型的起始点。绳的机械模型(即绳对机械载荷的响应)的特征为弹性的，并且将通过忽略金属丝之间的摩擦并且将每根金属丝建模为弯曲细杆、对轴向力、弯曲力矩和扭转力矩的组合的反应来进行评估(如图3a和3b中所示)。在假设线弹性行为的情况下，通过指定杨氏模量e和泊松系数v来完全限定每条金属丝的材料性能。

通过引入轴向力fs、扭转力矩ms1和弯曲力矩ms2来描述绳横截面上的应力合力。与绳上的横截面应力合力轭合工作的概括化张力是轴向张力εs、扭转曲率xs1和弯曲曲率xs2。在不损失普遍性的情况下，在此考虑了平面弯曲问题，例如参考基于该公式和双轴向弯曲情况而充分讨论的运动学假设。通过忽略绳的内部结构的改变，可以引入下列线性横截面本构方程：

其中，fs是轴向力，εs是轴向张力，ms1是扭转力矩，ms2是弯曲力矩，eas、gjs和eis分别指示可以根据绳的上述几何参数(绳中的金属丝的螺旋半径、绞距和掠角rw、pw、θw)而容易地确定的直轴向刚度系数、扭转刚度系数和弯曲刚度系数，而cs是轴向转矩耦合刚度术语，xs1是转矩曲率以及xs2是弯曲曲率。

绳索的机械模型是由cardou,a.、jolicoeurc.于1997年在asme,appl.mech.rev第1期第50卷第1-14页的“mechanicalmodelsofhelicalstrands”中概述的“两阶段”近似法。同样在本工作中保留的是对经受拉伸载荷fr和所施加的弯曲曲率xr的组合作用的绳索的横截面行为建模。因此，弯曲问题的解决方案叠加至由于拉伸载荷的应力和张力的初始状态上，并且在假设受限扭转的情况下引入下列本构方程：

其中，fr是拉伸载荷，xr是弯曲曲率，ear是绳索的直接轴向刚度，elmin是绳索的最小横截面弯曲刚度，mr^add是总弯曲力矩的非线性因子，εr和mr分别是绳索的轴向张力和合成弯曲力矩。

假设轴向行为与弯曲曲率无关，并且可以如下估计绳索的直接轴向刚度：

其中：m是绳索的层数；nj是属于第j层的绳的数量(指数j＝0指的是绳索的芯部)，以及αsj＝tan^-1(2πrsjipsj)是第j层中的绳的捻角。

可以在等式(2)中识别绳索弯曲力矩mr的两个不同因子。第一个因子是线性的并且与绳的轴向张力无关。该术语仅考虑绳的单独弯曲而限定，并且其还可以认为是在绳之间不存在摩擦(或者换句话说，假设绳被完美地润滑)的“完全滑动”的理想状态下绳索的理论响应。因此，在本工作中采用下标“min”以进一步突出该因子对应于绳索的横截面弯曲刚度的最小理论值。刚度系数elmin可以如下地限定：

公式(2)中的第二术语mr^add是非线性的，并且考虑了由于作用在各个绳中的轴向力fs引起的横截面的总弯曲力矩的因子。根据简单的平衡考虑，可以获得下列方程：

作用在普通绳上的轴向力可以进一步分为由于轴向负载fr引起的第一因子fs，a和由于绳弯曲引起的第二因子fs，b，即：fs＝fs，a+fs，b。

由于相对于绳索中心线的轴向扭转问题的圆柱形对称性，术语fs，a沿着绳的长度(并且在同一层的所有绳上)是恒定的。

只要外表面上的摩擦力足够大以防止绳之间的相对移位、即处于绳粘结状态下就可以根据下式评估力fs，b：

fs，b(θs)＝cos²(αs)rseassin(θs)χr(6)

术语fs，b形成沿着绳的轴向力的梯度，如根据式(6)可以容易地推出的。这向绳提供相对于相邻绳滑动的趋势。轴向力的这种梯度受到作用在绳的侧表面上的切向摩擦力的抵抗。只要轴向力梯度的作用大于切向摩擦力的合力，绳就会经受相对于相邻绳的相对移动。发明人已经研发了考虑粘结和滑动状态之间的可能过渡而评估绳的轴向力fs,b的数值策略，并且也在本工作中采用。该数值过程基于经典的return-map算法，基于“粘结状态预测”和“滑动状态校正”。return-map算法算出沿着绳绞距在不连续的控制点组处的绳轴向力的梯度值。随后，通过沿着绳长度进行数值积分而获得绳轴向力。

用于在绳之间传递剪切应力的这种基于摩擦的机制使得绳索的弯曲行为是非线性的。图3示出了根据推荐模型预测的典型横截面力矩-曲率滞后回线。具有上下限±xmax的循环曲线应用于横截面。初始分支的特征在于对应于“完全粘结”情况的初始刚度elmax。随后，切线刚度由于绳之间的滑动现象的进展而逐渐降低。应当注意，假设xmax足够大至获得极限值elmin，则仅仅在横截面上的所有绳均处于滑动状态时才可以获得所述极限值elmin。

只要绳索在直径为d的滑轮上弯曲，就可以根据绳索中心线的曲率值容易地限定三个区域。在远离滑轮的第一区域中，绳索中心线是笔直的并且其曲率严格等于零。在位于绳索与滑轮之间的接触区域上的第二区域中，绳索中心线的曲率是恒定的并且可以近似评估为：xmax＝2/d。特征在于零曲率和由滑轮施加的最大曲率xmax之间的过渡的第三区域在本工作中被忽略。通过滑轮的绳的一般横截面将认为从零弯曲成最终曲率值xmax。在横截面弯曲期间耗散的能量(每单位长度的绳耗散的能量)可以评估为包括在滞后回线中的区域ac：

热模型基于如下事实：只要绳或金属丝绳索在滑轮上循环地弯曲，则作为系统输入的总机械能量的一部分由于摩擦现象而耗散并转换成热量。随后，产生的热量通过绳传递并且与环境交换。

可以确定两个主要耗散源：(1)绳(或绳索)与滑轮之间的摩擦；以及(2)绳(或绳索)的部件之间的摩擦。第一耗散源必须基于个案进行评估。事实上，摩擦状况也根据整个系统的几何结构(例如，绳和滑轮之间的未对准、润滑状况、滑轮磨损状态等)而变化。替代地，第二区域始终存在并且不能被忽略，其固有地与绳索横截面的交替弯曲和拉直相关。随后，可以简单地根据在整个弯曲周期(从零至滑轮施加的曲率xmax，然后再返回至零)中每单位长度耗散的、等式(7)中的能量ac(nm/m)而评估热量产生源g。用于相对于环境温度评估绳索温度的热模型由包括两个主要步骤的算法所示：

步骤1-初步计算：

a.限定环境气温ta；

b.限定空气速度v；

c.限定空气密度ρf，

d.限定绝对空气粘度μf；

e.限定绳索直径d；

f.限定绳索辐射系数e；

g.限定太阳能吸收系数a；

h.限定总太阳和天空辐射热qs；

i.限定每单元长度耗散的能量ac

其中，m0是由绳索的机械模型确定的绳索的弯曲力矩的值，而xmax是由滑轮造成的曲率。

j.限定循环持续时间fc；

k.评估每单位长度绳索产生的能量g

l.假设绳索温度ts；

步骤2-迭代计算：

m.限定每单位长度的绳索对流热损耗率qc

qc＝max{qc1，qc2}

其中：

并且其中，qc1和qc2是用于计算每单位长度的对流热损耗率的两个经验公式，而kf指的是空气的导热率；

n.限定每单位长度的绳索辐射热损耗率qr

其中，d′是绳直径，e是辐射系数，而ks是绳(平均)温度，ka是环境温度；

o.限定每单位长度的太阳能得热qs

qs＝aqssin(θ)a′

其中，a是太阳能吸收系数，qs是总太阳和天空辐射热，q是太阳光线的有效入射角，而a′＝d′/12是绳索的投影面积；

p.对于绳索温度ts的解方程qc+qr＝g+qs；

q.使用在前一步骤p.中计算得的绳索温度ts的新值重复步骤2，直到id温度ts稳定为止。

预测工具的结果s.具有关于润滑状态、关于绳索耐用性的两个主要直接结果。

润滑剂的特征在于其下降(dropping)温度，超过该温度润滑剂损失其化学和机械特性。在这种情况下，工具允许模拟所需的操作条件是否导致超过该极限。而且，绳索承受疲劳应力的能力与钢丝机械性能(拉伸强度、屈服强度、断裂伸长率)直接相关。根据内部研究和周知的科学文献，如果钢丝大量地暴露于热场，则这些特性会受损。直接结果是损失延展性，延展性代表金属丝绳索抗疲劳性的主要参数。对绳索热状态的监视导致确定了该延展性的损失，并且因此评估抗疲劳性变化。这样，工具提供了理解何种特定的操作条件会导致绳索中的直接结果和特定的操作条件如何导致绳索中的直接结果的可能性。

即使在“发明内容”和“具体实施方式”中描述了至少一个实施例，但是旨在的是在本发明的保护范围内存在许多其他变型方案。此外，旨在的是所述实施例或多个实施例仅仅是示例，而不以任何方式限定本发明的保护范围及其应用或结构。作为替代，“发明内容”和“具体实施方式”向本领域专家提供便利的指导以实施至少一个实施例，同时旨在的是在此描述的功能和元件组件可以形成许多改变，而不脱离由随附权利要求和/或其技术/法律等同形式所涵盖的本发明的保护范围。