光纤复合海底电缆机械行为的有限元模型研究

摘要

随着海洋经济的快速发展，集输电、通信于一体的光纤复合海底电缆应用愈加广泛，对其进行安全监测十分必要。为使光纤复合海底电缆能够无故障长时间运行，可利用分布式光纤传感技术实时监测光纤的应变，获取海底电缆其他各层结构的健康状态。 本文对光纤复合海底电缆在制造、运输、敷设、和运行过程中的机械行为展开研究。以机械有限元理论为基础，根据海底电缆敷设过程中的牵引力及突发大张力工况，建立了单芯海底电缆拉伸有限元模型，求解得到不同拉力载荷下，海底电缆各层结构应力、应变、塑性应变的仿真数据，处理数据得到缆体各层结构应力与光纤应变的函数关系式。针对三芯海底电缆在敷设、运行过程中遇到的钩挂、锚砸、扭转工况，建立了相应的有限元模型，得到了不同钩挂速度和不同扭转速度下海底电缆各层结构的应力及光纤应变曲线，并利用最小二乘法拟合得到了二者之间的函数关系，获得了锚砸过程中海底电缆各层结构的应力、应变情况以及铜导体、铅合金护套、钢丝铠装发生屈服时光纤的应变值。利用本文研究成果，可通过光纤应变监测值计算海底电缆各层结构应力，获取缆体运行状态，为海底电缆的实时监测和故障诊断提供依据。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 课题的国内外研究现状

1.3 本文的主要工作

第2章 光纤复合海底电缆模型的有限元理论基础

2.1 海缆有限元的基本思路和求解步骤

2.2 材料分析

2.3 拉伸基本方程

2.3.1 应力平衡方程

2.3.2 应变几何方程

2.3.3 应力与应变的物理方程

2.4 接触分析

2.5 小结

第3章 单芯光纤复合海底电缆受力拉伸有限元模型建立与分析

3.1 单芯海底电缆受力拉伸有限元模型建立与仿真设置

3.1.1 几何模型的建立

3.1.2 有限元模型设置

3.1.3 有限元模型网格划分

3.1.4 有限元模型载荷施加、约束

3.2 有限元仿真结果与分析

3.2.1 受力拉伸仿真结果评价

3.2.2 受力拉伸模型仿真数据分析

3.3.1 不同拉力下单芯海缆数据分析

3.3.2 不同拉力下单芯海缆各层结构应力与光单元应变之间的关系

3.4 本章小结

第4章 三芯光纤复合海底电缆钩挂、锚砸有限元模型建立与仿真

4.1 三芯海缆钩挂、锚砸有限元模型的建立

4.1.1 几何模型建立

4.1.2 三芯海缆有限元模型设置、网格划分

4.1.3 接触、约束、沙漏能控制

4.2 三芯海缆钩挂的有限元仿真

4.2.1 仿真条件设置

4.2.2 仿真结果评价

4.2.3 数据分析

4.2.4 三芯海缆各层结构应力与光单元应变之间的关系

4.3 三芯海缆锚砸的有限元仿真

4.3.1 仿真条件设置

4.3.2 仿真结果评价

4.3.3 数据分析

4.3.4 受损分析

4.4 本章小结

第5章 三芯光纤复合海底电缆扭转有限元模型建立与仿真

5.1 三芯海缆扭转的有限元模型建立

5.2 仿真设置

5.3 仿真结果分析

5.3.1 不同扭转方向与不同扭转速度下各结构的应力、应变分析

5.3.2 光单元应变与三芯海缆其他结构应力的函数关系

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

在学期间发表的学术论文和参加科研情况

致谢