CN102831290B - 复合海缆应力场建模计算分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合海缆应力场建模计算分析方法，基于有限元法对建立复合海缆受外力作用下的应力场模型，获取模型在不同载荷、边界条件下，海缆内光纤的应力、应变与海缆实际距离的对应关系数据，以此得到外力作用下光纤中的频谱偏移规律，从而对海缆由外力作用和局部发热造成的频谱偏移进行区分，从而实现对海缆故障的初期检测告警，以及时防止故障恶化，相比通过实验的方法获得的应变数据，本发明能够节省大量的财力物力。

Description

复合海缆应力场建模计算分析方法

技术领域

本发明涉及光电复合海缆分布式实时监控测量技术，特别涉及一种复合海缆应力场建模计算分析方法。

背景技术

光电复合海缆在运行过程中敷埋在海底，船锚、渔具拖网等外力都可能造成海缆的破坏，因此需要对光电复合海缆的光纤应变进行监测，从而实现对外力引起的海缆应变初期进行监测告警。目前我们一般利用布里渊光时域分析仪（简称BOTDA分析仪）来获取光电复合海缆的光纤频谱偏移，但是并不知道引起频谱偏移的外因是海缆的局部发热还是受外力作用。而且现实条件不允许我们通过实验来获取海缆内部光纤的应变数据，又缺乏将海底电缆局部发热和外力作用引起的频谱偏移进行区分的方法，因此，往往难以查明故障原因。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合海缆应力场建模计算分析方法，具体通过一种利用有限元法对光电复合海缆进行应力场建模计算，来建立光电复合海缆中的光纤应力、应变与海缆实际距离对应的数据关系的方法，从而得出外力作用下光纤中的频谱偏移规律，进而将其与海缆局部受热的外因进行区分。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种复合海缆应力场建模计算分析方法，是基于有限元法对建立复合海缆受外力作用下的应力场模型，以模拟海缆中光纤的应变情况的方法；该方法包含以下步骤：

步骤1，根据复合海缆的物理结构尺寸图，绘制海缆的二维平面图；

步骤2，查找海缆中各个零部件对应的材料参数供建模查找使用；

步骤3，根据步骤1所述的二维平面图，建立海缆中各个零件分别对应的模型；

步骤4，根据步骤2中获取的材料参数，为每个零部件的模型赋予相应的材料属性；

步骤5，将所有零部件的模型在进行组装，来建立包含这些零部件的一根海缆的模型；

步骤6，设定后续模型分析处理中所需的相关变量；所述变量包含初始分析步长和分析步数量，以及包含应力、弹性应变和位移的场变量输出；

步骤7，建立海缆模型中装配好的各个零部件之间相互的绑定约束关系；

步骤8，定义海缆两端的固支边界条件，定义受力面，并施加相应的载荷；

步骤9，对海缆中每个零部件划分网格；至此，完成对海缆模型的前处理；

步骤10，进入后处理，获取海缆模型在不同载荷、边界条件下，海缆内光纤的应力、应变与海缆实际距离的对应关系数据，根据这些关系数据计算得到外力作用下光纤中的频谱偏移规律，从而对海缆由外力作用和局部发热造成的频谱偏移进行区分。

该方法的步骤2中所述材料参数包含海缆中各个零部件的弹性模量、密度和比热容。

该方法的步骤6中进一步包含根据后续对模型分析计算中所需的收敛效果，来调整初始分析步长及分析步数量的变量大小的过程。

该方法的步骤9中还包含根据后续对模型分析计算中所需的收敛效果，将海缆中若干个零部件进行合并后再进行网格划分的过程，以及根据后续对模型分析计算中所需的收敛效果，调整网格划分时使用的网格大小、单元类型和划分算法的过程。

该方法的步骤10中进一步包含根据海缆模型在不同载荷及边界条件下受到的应力应变，绘制海缆受力集中处及海缆整体的云纹图并进行分析的过程，以及绘制海缆内光纤的轴向应变图，以分析海缆内光纤应力应变与海缆实际距离的对应关系的过程。

现有的条件下只允许通过BOTDA分析仪监测海缆内部光纤的实时温变，而根据测到的异常温变往往难以判断引起异常的原因。与之相比，本发明所述复合海缆应力场建模计算分析方法，通过有限元法来建立海缆的三维模型，施加类似船锚拉力的载荷来进行模拟，通过计算分析得出海缆内光纤的光纤应变规律，提取相应数据来生成海缆内光纤的应力、应变与海缆实际距离之间的对应关系表，从而得出外力作用下光纤中的频谱偏移规律，从而区分外力作用和局部发热对光纤造成的频谱偏移，实现对海缆的初期检测告警以及时防止故障恶化。比起通过实验的方法获得的应变数据，本发明能够节省大量的财力物力，有效协助监测并判断海缆的故障原因。

附图说明

图1是通过本发明所述复合海缆应力场建模计算分析方法绘制的海缆二维平面图；

图2是通过本发明所述建模计算分析方法绘制的海缆模型的侧面图；

图3是通过本发明所述建模计算分析方法给出的海缆受力集中处的云纹图；

图4是通过本发明所述建模计算分析方法给出的模型受力后整体的云纹图；

图5是通过本发明所述建模计算分析方法给出的海缆内光纤轴向应变图。

具体实施方式

本发明所述复合海缆应力场建模计算分析方法，利用有限元法对光电复合海缆进行应力场建模，通过计算求解获取不同载荷、边界条件下的光纤应力、应变和海缆实际距离的对应关系表，得出外力作用下光纤中的频谱偏移规律，从而区分外力作用和局部发热造成的频谱偏移。

以下用基于ABAQUS有限元建模软件的一个具体应用实例，来说明本发明所述建模计算分析方法的主要步骤：

步骤1，根据复合海缆的物理结构尺寸图，利用ABAQUS功能模块中的Sketch功能模块，来绘制如图1所示的海缆二维平面图。

步骤2，查找海缆各个零件对应的材料参数，包括弹性模量、密度和比热容，制成Excel表供建模查找使用。

步骤3，建立海缆的各个零件分别对应的模型部件。即，根据图1所示的海缆二维平面图，在ABAQUS的part功能模块中建立海缆中共计116个的模型部件。

步骤4，使用ABAQUS的Property功能模块，创建材料和截面属性，将每个零部件都赋予相应的材料属性，正式建成海缆的各个零部件。

步骤5，使用ABAQUS的Assembly功能模块，将上述所生成的116个零部件组装成一根海缆，由此建立海缆的模型，图2所示具体是此时海缆模型的侧面图。在步骤2创建或导入部件时，整个过程都是在局部坐标系下进行的，而对于由多个部件构成的物体，必须通过步骤5完成各部件实体的定位，即，将其在统一的整体坐标系中进行装配，使之成为一个整体的模型。

步骤6，切换至ABAQUS的Step模块，建立分析步，为后面的分析计算设计初始分析步长和分析步数量。这两个变量一般根据经验设置，应当注意在设计时对这两个变量的大小进行控制，以保证后续模型的分析计算中的收敛效果。另外，还需要设置场变量输出，本发明中具体涉及的变量有应力、弹性应变和位移。

步骤7，使用ABAQUS的Interaction模块，建立各个部件两两之间的绑定约束。通过绑定约束，将各个部件联系在一起，以形成一个完整的模型。在该步骤7中，主要用来定义已经装配好的各部件之间的相互作用、约束和连接器，包括接触、热传导、入射波、声阻、传动/传感等。

步骤8，使用ABAQUS的Load模块，定义海缆两端的固支边界条件，定义受力面，并施加相应的载荷（这里我们大致输入20000N-70000N的载荷来模拟船锚拉力，大小方向不定）。

步骤9，使用ABAQUS的Mesh模块，对每一部件划分网格。

一般需要通过多次尝试，调整网格大小、单元类型和划分网格的算法，来获取最好的收敛效果。

另外，由于模型中大量尖点的存在，导致模型的分析计算很难收敛，所以我们还可以将其中某些部件合并后再进行网格划分。

到这一步，已经完成了模型的前处理。

步骤10，进入后处理，得到海缆模型中各种相应的图表和数据。具体可以使用ABAQUS的Job功能模块实现。

例如，可以给出如图3所示的海缆受力集中处的云纹图进行分析，或者，为了更好地展示建模效果，还可以进一步给出如图4所示的海缆模型受力后整体的云纹图。具体的，图3指的是200米长的海缆模型在受到20000N的力作用发生了一定形变后模型受力面附近的Mises主应力分布。所述Mises应力是描述三维应力状态的屈服条件，对于三维空间应力而言，并不是说当某一分量达到一定程度材料就进入塑性，跟能量有关，于是发现了mises等效应力。云纹图就是在模型上用颜色来显示分析变量，不同的颜色代表应力大小的不同。图4与图3类似，只是为演示模型受力后的整体变形效果，给出了2米的模型图。

我们还可以给出如图5所示的缆内光纤的轴向应变图，即，具体通过对一个200m海缆模型受力后的轴向应变—实际距离的XY图，来看出海缆应力应变与实际距离所对应的关系。其中，X轴为200m海缆实际距离，每隔0.025m取一点，共8000个点，X轴上在0~200之间以每50个数据点的间隔位置作出标示；Y轴是所选取的路径8000个点上与上述数据点对应的轴向应变数据。

上述即是为建立海缆在某一载荷下的模型的大致过程，可以设定不同的载荷来分析该海缆模型的应力应变与实际距离的对应关系数据。则通过后续的分析处理能够得出海缆内光纤的变形情况，并提取海缆实际距离对应下的应力应变数据，生成表格，从而研究外力作用下光纤中的频谱偏移规律，从而区分外力作用和局部发热造成的频谱偏移，以协助监测系统判断故障原因。

需要说明的是，上述例举的方法中使用了ABAQUS有限元建模软件，而本发明的上述各项步骤还可以通过其他的一个或多个基于有限元法的软件及其配合设置的硬件设备，来实现对海缆建模及对海缆内光纤变形情况分析等后续处理，不再具体描述。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种光电复合海缆应力场建模计算分析方法，其特征在于，所述方法是基于有限元法建立光电复合海缆受外力作用下的应力场模型，以模拟海缆中光纤的应变情况的方法；该方法包含以下步骤：

步骤1，根据光电复合海缆的物理结构尺寸图，绘制海缆的二维平面图；

步骤2，查找海缆中各个零部件对应的材料参数供建模使用；

步骤3，根据步骤1所述的二维平面图，建立海缆中各个零部件分别对应的模型；

步骤4，根据步骤2中获取的材料参数，为每个零部件的模型赋予相应的材料属性；

步骤5，将所有零部件的模型进行组装，来建立包含这些零部件的一根海缆的模型；

步骤6，设定后续模型分析处理中所需的相关变量；所述变量包含初始分析步长和分析步数量，以及包含应力、弹性应变和位移的场变量输出；

步骤7，建立海缆模型中装配好的各个零部件之间相互的绑定约束关系；

步骤8，定义海缆两端的固支边界条件，定义受力面，并施加相应的载荷；

步骤9，对海缆中每个零部件划分网格；至此，完成对海缆模型的前处理；

步骤10，进入后处理，获取海缆模型在不同载荷、边界条件下，海缆内光纤的应力、应变与海缆实际距离的对应关系数据，根据这些关系数据计算得到外力作用下光纤中的频谱偏移规律，从而对海缆由外力作用和局部发热造成的频谱偏移进行区分。

2.如权利要求1所述光电复合海缆应力场建模计算分析方法，其特征在于，

步骤2中所述材料参数包含海缆中各个零部件的弹性模量、密度和比热容。

3.如权利要求1所述光电复合海缆应力场建模计算分析方法，其特征在于，

步骤6中进一步包含根据后续对模型分析计算中所需的收敛效果，来调整初始分析步长及分析步数量的变量大小的过程。

4.如权利要求1所述光电复合海缆应力场建模计算分析方法，其特征在于，

步骤9中还包含根据后续对模型分析计算中所需的收敛效果，将海缆中若干个零部件进行合并后再进行网格划分的过程。

5.如权利要求4所述光电复合海缆应力场建模计算分析方法，其特征在于，

步骤9中进一步包含根据后续对模型分析计算中所需的收敛效果，调整网格划分时使用的网格大小、单元类型和划分算法的过程。

6.如权利要求1~5中任意一项所述的光电复合海缆应力场建模计算分析方法，其特征在于，

步骤10中进一步包含根据海缆模型在不同载荷及边界条件下受到的应力，绘制海缆受力集中处及海缆整体的云纹图并进行分析的过程。

7.如权利要求6所述光电复合海缆应力场建模计算分析方法，其特征在于，

步骤10中还包含根据海缆模型在不同载荷及边界条件下受到的应力应变，绘制海缆内光纤的轴向应变图，以分析海缆内光纤应力应变与海缆实际距离的对应关系的过程。