基于落锚-海缆-土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法技术

基于落锚

【技术实现步骤摘要】
基于落锚
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海缆
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土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法


[0001]本专利技术涉及海底电缆锚害损伤评估
，具体涉及一种基于落锚
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海缆
‑
土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法。

技术介绍

[0002]随船舶大型化、高速化的快速发展，船舶数量不断增加，致使水域交通密度及危险货物装载量也不断增加。伴随我国航运业的飞速发展，渔业得到迅猛发展，同时随着渔船的频繁作业，作业船只的无序工作，海底电缆管道遭受外力破坏事故时有发生，严重威胁电力输送与信息传递。此外，海缆受到海流冲击，造成海缆管线埋深不足或裸露悬空，增加了海缆锚击破坏事故的概率。落锚冲击海缆造成的外力破坏严重威胁海缆的安全运行。因此必须建立有效防御技术手段，使得海底电缆实时处于受控状态，及时掌握管道信息和状态，针对锚害发生情况有效作出应对处理，减小落锚撞击海缆造成的损伤。
[0003]由于落锚冲击海缆损伤实验实现较为困难，进而依靠有限元仿真模拟方法来评估不同情况海缆锚害损伤情况。现有技术中的海底电缆锚害仿真基本构建海缆
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落锚两部分为主体的有限元模型，为更合理模拟真实情况，需对土壤条件进行考量，可以通过改变土壤的环境参数、埋设深度等情况进行锚害损伤研究，能够更为全面模拟落锚冲击海缆的损伤情况，进而通过研究结果作出预判。但是该方法仍然基于有限元仿真基础上，相关参数的模拟不一定能完全与真实数据相仿。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于落锚r/>‑
海缆
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土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法，在常规落锚
‑
海缆有限元模拟仿真的基础上结合土壤参数，能改变土壤环境参数来考量海底电缆遭受锚害损伤情况。该方法能够降低落锚冲击海底电缆仿真误差，提高落锚冲击海底电缆模拟的真实性。
[0005]本专利技术采取的技术方案为：
[0006]基于落锚
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海缆
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土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：构建落锚
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海缆
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土壤模型，模拟落锚冲击土壤中的海缆；
[0008]步骤二：基于海缆的非线性材料属性建立海缆的应力
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应变关系模型；建立土壤的摩尔库伦模型，将落锚等效为刚体；
[0009]步骤三：设置分析步长，并启用有限元软件动力显示部分；
[0010]步骤四：考虑模型中落锚、海缆、土壤相互作用，并设置接触条件；
[0011]步骤五：对落锚施加初始速度，设置边界条件；
[0012]步骤六：构建海底电缆的有限元网格模型，并针对落锚冲击处对土壤区域进行局部逐渐网格细化；
[0013]步骤七：将步骤一、步骤二的模型导入有限元软件中，并结合步骤三～步骤五设置的条件参数，得到海底电缆的数值分析模型，求解该模型获得撞击处海缆凹陷深度，以及海
缆在土壤中的下陷深度。
[0014]所述步骤一中，选取35kV三芯复合海底电缆为研究对象，利用SolidWorks搭建海缆结构模型，并真实模拟三芯导体内顺时针螺旋、以及镀锌钢铠装钢丝外逆时针螺旋；海缆结构复杂，将屏蔽层、阻水带等机械强度较低部分省略，建立三维海底电缆几何模型；再建立土壤和落锚模型；考虑实际工程情况，将海缆嵌入土壤，形成落锚
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海缆
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土壤模型，模拟落锚冲击土壤中的海缆。
[0015]所述步骤一中，确定三芯复合海底电缆具体参数，建立铜导体、绝缘层、铅护套、填充层、光单元、光单元内外钢丝、光单元护套、铠装层、外护套模型，具体过程包括如下步骤：
[0016]S1.1：首先，确定导体、绝缘层、铅护套外径，再确认光单元、光单元内外钢丝及光单元护套外径，满足三芯导体部分呈120
°
对称，两个光单元分别位于两相邻导体部分中间位置，为简化计算只取一个，在SolidWorks上作出平面草图，将其中一导体部分凸台拉伸，并对该部分进行阵列处理，使得三相导体呈120
°
，再拉伸光单元部分，最后对导体部分与光单元进行弯曲扭转；
[0017]S1.3：再构建填充部分：先确定铅护套外径及光单元外护套外径，根据上一步操作构建导体部分与光单元扭转，在此基础上再确认填充外径，并拉伸为圆柱体，最后进行模块相减组合，进而得到填充模块；
[0018]3)然后，构建铠装部分，三芯复合海底电缆外层铠装钢丝根数根据缠绕钢丝根数及螺距计算得出：
[0019][0020]上式中：R为铠装层内圆柱体半径，单位：mm；r为铠装钢丝半径，单位：mm；n为铠装钢珠的数量。
[0021]根据上式得出的铠装钢丝半径，作出单根铠装钢丝层平面草图，再拉伸至同一高度，然后阵列处理，使得铠装钢丝相切排列呈圆并且拉伸处理，最后对其进行逆时针螺旋处理，螺旋升角为其中，螺旋升角与缠绕角α满足以下关系：
[0022][0023]4)最后，构建外护套部分，确认外护套外径后作出平面草图，拉伸同一高度，最后将上述部分形成装配体，得到三芯复合海底电缆几何模型。
[0024]所述步骤一中，土壤模型为长方体模块，落锚模型用具有相同底面形状的物体代替，简化的子弹头状，将海底电缆几何模型嵌入土壤模型中，埋设一定深度h，落锚正对海缆中间处，与土壤模型表面相切。
[0025]所述步骤二中，海缆结构复杂，表现明显非线性材料属性，其应力与应变关系不满足线性关系。当材料处于弹性阶段时，表现出良好的弹性性质，海缆的应力
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应变关系满足胡克定律：
[0026]σ＝Eε；
[0027]其中：E(E＝tanα)为弹性模量，σ表示应力，ε表示应变。
[0028]当载荷卸载材料变形可完全恢复，当材料进入屈服阶段，材料开始失去抵抗变形能力，达到屈服状态；经过屈服阶段后，材料处于强化阶段，材料又恢复抵抗变形能力；当应力超过强度极限材料发生断裂，彻底失效。
[0029]土壤采用摩尔库伦模型，规定摩擦角、膨胀角和凝聚力屈服应力。
[0030]经典摩尔库伦定律c为凝聚力屈服应力，为摩擦角，τ为抗剪强度
[0031]落锚视作刚体，弹性模量较大。
[0032]所述步骤三中，设置步长，在分析步中设置时间长度，即撞击过程的总时间，一般为ms级别，启动有限元软件ABAQUS动力显示部分，因为不知道具体作用时间，可先保守设置加大时间，在计算过程中通过观察能量、应力和速度曲线判断撞击时长，再调整合适时间长度。然后创建场输出变量，设置应力、应变、位移等所需参数，最后创建历程输出变量，设置锚的能量参数。
[0033]所述步骤四中，设置接触条件前，为节约操作时间，先为所有土壤表面创建集合，因为海缆各层结构复杂，表面并非连续，将其设置为通用接触，通过有限元软件ABAQUS自动识别接触类型,包含:切向行为的摩擦公式设置为罚函数，定义，并定义摩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于落锚
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海缆
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土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：构建落锚
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海缆
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土壤模型，模拟落锚冲击土壤中的海缆；步骤二：基于海缆的非线性材料属性建立海缆的应力
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应变关系模型；建立土壤的摩尔库伦模型，将落锚等效为刚体；步骤三：设置分析步长，并启用有限元软件动力显示部分；步骤四：考虑模型中落锚、海缆、土壤相互作用，并设置接触条件；步骤五：对落锚施加初始速度，设置边界条件；步骤六：构建海底电缆的有限元网格模型，并针对落锚冲击处对土壤区域进行局部逐渐网格细化；步骤七：将步骤一、步骤二的模型导入有限元软件中，并结合步骤三～步骤五设置的条件参数，得到海底电缆的数值分析模型，求解该模型获得撞击处海缆凹陷深度，以及海缆在土壤中的下陷深度。2.根据权利要求1所述基于落锚
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海缆
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土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法，其特征在于：所述步骤一中，选取35kV三芯复合海底电缆为研究对象，利用SolidWorks搭建海缆结构模型，并真实模拟三芯导体内顺时针螺旋、以及镀锌钢铠装钢丝外逆时针螺旋；建立三维海底电缆几何模型；再建立土壤和落锚模型；考虑实际工程情况，将海缆嵌入土壤，形成落锚
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海缆
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土壤模型，模拟落锚冲击土壤中的海缆。3.根据权利要求1所述基于落锚
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海缆
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土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法，其特征在于：所述步骤一具体过程包括如下步骤：S1.1：首先，确定导体、绝缘层、铅护套外径，再确认光单元、光单元内外钢丝及光单元护套外径，满足三芯导体部分呈120
°
对称，两个光单元分别位于两相邻导体部分中间位置，为简化计算只取一个，在SolidWorks上作出平面草图，将其中一导体部分凸台拉伸，并对该部分进行阵列处理，使得三相导体呈120
°
，再拉伸光单元部分，最后对导体部分与光单元进行弯曲扭转；S1.2：再构建填充部分：先确定铅护套外径及光单元外护套外径，根据上一步操作构建导体部分与光单元扭转，在此基础上再确认填充外径，并拉伸为圆柱体，最后进行模块相减组合，进而得到填充模块；S1.3：然后，构建铠装部分，三芯复合海底电缆外层铠装钢丝根数根据缠绕钢丝根数及螺距计算得出：上式中：R为铠装层内圆柱体半径，单位：mm；r为铠装钢丝半径，单位：mm；n为铠装钢珠的数量；根据上式得出的铠装钢丝半径，作出单根铠装钢丝层平面草图，再拉伸至同一高度，然后阵列处理，使得铠装钢丝相切排列呈圆并且拉伸处理，最后对其进行逆时针螺旋处理，螺旋升角为其中，螺旋升角与缠绕角α满足以下关系：S1.4：最后，构建外护套部分，确认外护套外径后作出平面草图，拉伸同一高度，最后将
上述部分形成装配体，得到三芯复合海底电缆几何模型。4.根据权利要求1所述基于落锚
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海缆
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土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法，其特征在于：所述步骤一中，土壤模型为长方体模块，落锚模型简化的子弹头状，将海底电缆几何模型嵌入土壤模型中，埋设一定深度h，落锚正对海缆中间处，与土壤模型表面相切。5.根据权利要求1所述基于落锚
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海缆
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土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法，其特征在于：所述步骤二中，海缆的应力
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应变关系满足胡克定律：σ＝Eε；其中：E为弹性模量，σ表示应力，ε表示应变；当载荷卸载材料变形可完全恢复，当材料进入屈服阶段，材料开始失去抵抗变形能力，达到屈服状态；经过屈服阶段后，材料处于强化阶段，材料又恢复...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵勇，丁锐，王克涛，刘赛男，于青涛，张涛，
申请(专利权)人：国网山东省电力公司国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：