洋流冲刷下光纤复合海底电缆振动特性的分析方法技术

洋流冲刷下光纤复合海底电缆振动特性的分析方法,涉及海缆分析方法。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，易产生机械损伤，且目前缺乏直观有效的方法。本发明专利技术包括以下步骤：波浪力作用下的海底电缆有限元建模；有限元结果数据提取与分析；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。本技术方案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。

Analysis method of vibration characteristics of fiber optic composite submarine cable under current flow scour

The analysis method of optical fiber composite cable vibration characteristics of current scour under, relates to the analysis method of submarine cable. General cable laying Yu Hai bed or mud. Due to the influence of complex terrain, ocean current and tidal scour, it is easy to produce mechanical damage, and there is no direct and effective method at present. The invention comprises the following steps: Cable finite element modeling under wave force; data extraction and analysis of finite element results; cable vibration analysis; according to the relationship between displacement, acceleration, frequency of light units, through the optical fiber vibration monitoring of submarine cable. The technical scheme of dynamic finite element analysis of wave loads on submarine cable, submarine cable layer to understand the stress condition, which can provide the theoretical basis for the use of distributed optical fiber vibration sensing technology of cable monitoring working condition; through the optical fiber sensing technology to complete the real-time monitoring of cable vibration, low cost, can carry out off-site judgment, high efficiency; Study on the effective cable.

【技术实现步骤摘要】
洋流冲刷下光纤复合海底电缆振动特性的分析方法
本专利技术涉及海缆分析方法，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采取以下技术方案。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是本专利技术流程图。具体实施方式以下结合说明书附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明。如图10所示，本专利技术包括以下步骤：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专利技术做进一步的说明。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。其本文档来自技高网...

【技术保护点】
洋流冲刷下光纤复合海底电缆振动特性的分析方法，其特征在于包括以下步骤：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。...

【技术特征摘要】
1.洋流冲刷下光纤复合海底电缆振动特性的分析方法，其特征在于包括以下步骤：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：宣耀伟，林晓波，汪洋，戴涛，何旭涛，沈耀军，
申请(专利权)人：国网浙江省电力公司舟山供电公司，国家电网公司，浙江舟山海洋输电研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33