静态脐带缆安装工况参数分析

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1、第37卷第1期水道港口Vol.37No.12016年2月JournalofWaterwayandHarborFeb.2016静态脐带缆安装工况参数分析杨然哲，朱克强，荆彪，朱玲（宁波大学海运学院，宁波315211）摘要：结合工程实例对静态脐带缆安装工况下的基本力学问题进行了归纳分析，依据海洋管线设计规范计算了脐带缆简化模型关键力学参数，对脐带缆安装工况下的水动力性能进行了分析。通过等效刚度替代原则建立了钢管脐带缆有限元简化模型，重点对比分析了摩擦力对脐带缆应力分布的影响，当缆体承受较大弯曲载荷时可忽略摩擦对脐带缆应力计算的影响。不同拉弯组合载荷作用下脐带缆

2、最大应力均出现在0.0254m钢管受拉面，依据计算结果提出了钢管脐带缆的简化设计意见。关键词：脐带缆；安装工况；有限元；摩擦力；屈服强度中图分类号：TE54文献标识码：A文章编号：1005-8443（2016）01-0096-08脐带缆将电缆、光缆、钢管等通过一定方式组合在一起实现不同介质的集成化传输。主要用于水下生产系统之间或者浮体与水下生产设备之间的连接，为水下石油开采设备提供电能、信号传输以及液压和缓［1］蚀剂等试剂。脐带缆从生产下线到安装使用，需要经历储存、安装以及在位运行工况。其中安装、在位工况下脐带缆承受水深以及波浪、海流等环境荷载引起的拉伸、

3、弯曲及扭转等荷载作用，由此可能引发的缆体破坏和失效问题是脐带缆设计安装过程中的核心要点。不同于动态脐带缆，静态脐带缆处于在位工况时大部分缆体位于海底或深埋于预先开挖的海槽内，受到海况的影响较少。因此，静态脐带缆的水动力分析主要针对安装工况。为了确保脐带缆在具有较强拉伸性能的同时也具备一定的弯曲柔性，脐带缆各部件之间采用非粘结螺旋结构缠绕在一起，由此产生的大量［2］接触以及由滑动摩擦引发的非线性问题使得脐带缆结构的设计分析异常复杂。早期由于有限元技术以及［3］［4］计算机性能尚不成熟，部分学者基于小变形、线弹性等假设对脐带缆进行了解析分析。Witz等结合试验

4、［5］结果探讨了有限单元长度以及支座终端对脐带缆弯曲应力的影响。Custodio等综合考虑材料非线性、间隙形成原因、螺旋构件之间的侧向接触以及螺旋构件曲率改变等因素，推导了可分析脐带缆每层应力以及结［6］构整体响应的非线性计算方法。Sævik等对复杂截面脐带缆进行了理论和试验研究，提出了考虑接触以及内压情况下脐带缆承载不同载荷时的有限元分析方法。由于脐带缆结构的复杂性以及脐带缆弯曲分析涉及到大变形、层间接触摩擦等非线性问题，早期理论分析往往基于大量假设以简化分析，如假设铠装钢丝层中的每一根钢丝的弯曲力学行为都是相同的，只考［7］虑钢丝的线弹性行为，忽略端部

5、效应以及滑动摩擦等。随着有限元技术的发展，全尺度脐带缆三维数值模型的分析取得了巨大进步，如何快速建立三维有限元模型，并且在保证计算精度的同时提高计算效率，这是当前钢管脐带缆结构数值分析的研究热点。本研究结合前人分析结果对脐带缆安装布放过程中的一般性力学问题进行了归纳总结，基于ISO⁃收稿日期：2015-07-28；修回日期：2015-08-30基金项目：国家自然科学基金资助项目（11272160）；国家自然科学基金青年项目（51309133）；宁波市学科项目（szxl1066）；宁波大学校科研基金（理）(xkl1339,XYL12014)；2015年浙江省

6、大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划(2015R405070)作者简介：杨然哲(1991-)，男，湖北钟祥人，硕士研究生，主要从事海洋工程挠性管线结构动态响应研究。Biography：YANGRan⁃zhe（1991-），male，masterstudent.2016年2月杨然哲，等静态脐带缆安装工况参数分析9713628钢管脐带缆分析规范建立了脐带缆有限元简化模型，分析了脐带缆在安装工况下的有效张力以及曲率分布，计算了不同拉弯载荷组合作用下脐带缆分段的应力分布。考虑到忽略摩擦可能会对脐带缆整体应力应变响应分析造成误差，重点对比分析了是否考虑摩擦对脐带缆整

7、体应力分布的影响。基于工程实例，探讨了钢管脐带卷盘缆的简化设计方法并提出了相关优化建议。图1脐带缆铺设示意图Fig.1Sketchofumbilicalcablelaying1静态脐带缆安装工况下的力学问题出于自身柔性结构特点以及卷盘储存的优势，脐带缆在安装过程中通常采用卷管法进行铺设。如图1所示，脐带缆铺设时通过船上的张紧器以及船体末端托管架以一定线型铺设至预定位置。受布设空间以及存储运输等因素的限制，储存脐带缆的卷盘半径不宜过大，如若卷盘半径过小则会导致脐带缆存储以及安装过程中承受较大弯曲载荷而发生弯曲失效。因此，在设计布设方案前必须结合理论分析以及有

8、限元仿真结果确立脐带缆的最小弯曲半径，为脐带缆安装工作提供技术支撑