海洋动态缆的截面布局及数值模拟研究.pdf

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1、第46卷第8期2016年8月中国海洋大学学报PERI()DICALOF0CEANUNIVERSITYOFCHINA46(8):131~136Aug。2016海洋动态缆的截面布局及数值模拟研究。李伟民,郭海燕,牛建杰,张克超,林超,马东(中国海洋大学工程学院,山东青岛266100)摘要:脐带缆是海洋动态缆的主要类型,通常由不同功能的单元组装而成,外层一般由铠装钢丝螺旋缠绕和聚合物护套组成。脐带缆在敷设安装和在位运行时,受到拉伸荷载作用,外层铠装钢丝由于其螺旋缠绕特点,会将拉伸荷载转化成径向压力作用到脐带缆内芯上,使脐带缆截面产生应力和变形,所以径向压力是截面布

2、局设计的重要参数。本文推导了脐带缆在轴向拉力作用下对内芯产生的径向压力P,同时基于截面布局多边形的概念,可以绘制多边形图,由图能直观的反映截面的承载能力和各单元受力均匀情况。最后以一个包含不同单元的脐带缆为例,运用ANSYS有限元软件,进行了不同截面布局的建模计算和分析,考虑了单元间的接触和摩擦,给出了数值分析结果,通过对径向荷载作用下截面变形和单元最大受力的比较分析,结合截面布局多边形图,确定了合理布局方案。对脐带缆截面布局设计有重要指导意义。关键词:脐带缆;截面布局;ANSYS;数值模拟;径向压力中图法分类号:P756.1文献标志码:A文章编号:1672

3、—5174(2016)08—131—06DOI:10.16441/j.cnki.hdxb.20140347引用格式:李伟民,郭海燕,牛建杰,等.海洋动态缆的截面布局及数值模拟研究口].中国海洋大学学报(自然科学版),2016,46(8):13卜136.LIWei—Min,GU0HaiYan,NIUJian-Jie,eta1.Thesectionallayoutandnumericalsimulationstudyofmarinedynamicca—bles[J].PeriodicalofOceanUniversityofChina,2016,46(8):13

4、1—136.海洋动态缆是海洋油气开发中重要结构物之一,是连接水上浮体与水下生产系统以及水下生产系统之间的缆线。脐带缆是海洋动态缆的主要类型,一般由管单元、电缆单元、光纤单元、以及填充单元组装而成,外层由铠装钢丝螺旋缠绕和聚合物护套组成,如图1所示[1]。组成这些单元的材料不同,各单元的力学性能也存在差异,不同的单元截面布局将直接影响脐带缆的力学行为。(a)钢管脐带缆(b)软管脐带缆(a)Steeltubeumbilical(b)Hoseumbilical图1典型脐带缆结构Fig.1Structureoftypicalumbilicalcable在以往的脐带缆

5、截面设计中,主要采用理论分析和数值模拟的方法。理论分析是建立脐带缆的理论模型,通过一系列简化与假设,基于线性小变形理论,得到脐带缆荷载和变形之间的简化关系,可以对一般力学性能参数进行快速的初步评估,如Cardou和Joli—coeur理论[2]。数值模拟以有限元方法研究为主,采用大型通用有限元软件和自主开发的有限单元专业计算软件进行结构的建模和分析计算,如KnappE3]基于宏单元开发的CableCAD软件。但无论是理论分析还是数值模拟,都主要集中在截面的力学性能研究,而截面单元布局设计分析较少。脐带缆设计规范IS013628—5[4]中给出了脐带缆截面布局

6、的紧凑性和对称性的一般指导原则,但是却缺少具体的设计指标和实现方法。截面布局设计长期依赖于工程经验和生产工艺,规范性不强,有必要对截面布局设计进行研究和探索。脐带缆在敷设安装和在位运行时,受到拉伸荷载作用,外层铠装钢丝由于其螺旋缠绕特点,会将拉伸荷载转化成径向压力作用到脐带缆内芯上,使脐带缆截面产生应力和变形,所以径向压力是截面布局设计中的重要参数。本文推导了脐带缆在轴向拉力作用下对*基金项目:国家自然科学基金项目(51279187);山东省科技重大专项项目(2015ZDzx04003)资助SupportedbyNationalNaturalScienceF

7、oundationofChina(51279187);ScienceandTechnologyMajorProjectofShandongProvince(2015ZDZX04003)收稿日期:2014—1l一12;修订日期:2015—03—20作者简介:李伟民(1988一),男,硕士生。E-mail:liweiminsdhz@foxmail.corn÷*通讯作者:E-mail:hyguo@OUC.edu.cn中国海洋大学学报脐带缆内芯产生的径向压力P,同时基于截面布局多边形的概念,可以绘制多边形图,由图能直观的反映截面的承载能力和各单元受力均匀情况。最后基

8、于有限元软件ANSYS,计算分析了径向荷载作用下不同

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