CN102880742B - 一种利用光纤判断铠装光电复合缆机械故障的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力传输与通信技术领域中的一种利用光纤判断铠装光电复合缆机械故障的分析方法。本发明建立了铠装光电复合缆几何模型和铠装光电复合缆的有限元模型；计算铠装光电复合缆和复合光纤的应变关系范围；利用应变关系范围构造复合光纤应变对铠装光电复合缆机械故障隶属度的云函数，通过计算复合光纤应变对铠装光电复合缆的机械故障隶属度，对实际的铠装光电复合缆机械故障进行判断。本发明利用ANSYS及其APDL语言建立精确的含铠装结构的光电复合缆模型，获得了准确的含铠装结构的光电复合缆应变和复合光纤应变的数学关系范围；为解决确定含铠装结构的光电复合缆和复合光纤应变关系及其故障判断问题提供了简单、准确，有效的方法。

Description

一种利用光纤判断铠装光电复合缆机械故障的分析方法

技术领域

本发明属于电力传输与通信技术领域，尤其涉及一种利用光纤判断铠装光电复合缆机械故障的分析方法。

背景技术

电缆是现代工业中复杂系统及重大设施的关键设备，起着电力传输与通信的重大作用。其工艺复杂，设备投资和工程造价昂贵，一旦出现故障会产生连锁反应，将严重影响企业或社会的经济效益和正常运转。铠装结构的光电复合缆多敷设于地下或海底，此类设备的突出特点是保护和维修困难，要求使用时间长，容易遭受施工破坏和船锚破坏导致铠装层保护失效，从而发生机械故障而引发重大事故。因此研究此类设备机械故障产生与传播机理以及故障判断技术具有重要的工程和理论价值。

基于光纤传感技术的分布式应变测量仪可以测量普通单模光纤上的应变分布，利用此技术可以测量光电复合缆中复合光纤上的应变分布。但是，复合光纤的应变并不等于复合电缆的应变，需要找到合适的方法确定光电复合缆铠装应变和复合光纤应变的关系，最终通过复合光纤应变确定铠装的应变，进而判断复合缆的机械故障。光电复合缆结构复杂、成本高，利用实验方法进行分析十分困难，且缺乏灵活性。因此，建立与实际机械故障发生过程相符的仿真模型，对实际系统中光电复合缆的机械故障进行判断具有重要意义。

发明内容

针对上述背景技术中提到现有对光电复合缆建模精度不高，不能真实反映光电复合缆应变与铠装结构的光电复合缆机械故障之间的关系等不足，本发明提出了一种利用光纤判断铠装光电复合缆机械故障的分析方法。

本发明的技术方案是，一种利用光纤判断铠装光电复合缆机械故障的分析方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：建立铠装光电复合缆几何模型；

步骤2：在步骤1的基础上，建立铠装光电复合缆的有限元模型；

步骤3：在步骤2的基础上计算铠装光电复合缆和复合光纤的应变关系范围；

步骤4：利用应变关系范围，根据正态隶属度云函数构造复合光纤应变对铠装光电复合缆机械故障的偏大型正态隶属度云函数，计算铠装光电复合缆发生机械故障的隶属度，通过与阈值的比较对铠装光电复合缆状态做出判断。

所述铠装光电复合缆几何模型的铠装层通过有限元分析软件ANSYS及其APDL语言建立。

所述铠装层和铠装层绞合缠绕部件之间加有一层减少沙漏能的薄壳面。

所述应变关系范围为min(k₁,k₂,…k_i,…k_N)≤k≤max(k₁,k₂,…k_i,…k_N)，其中，k为拟合系数，i为仿真次数，k_i为第i次仿真得到的拟合系数，i＝1,2,…N,N为最大仿真次数。

所述k_i的计算公式为：

                           k_i＝y_i/x_i

其中：

y_i为第i次铠装层应变；

x_i为第i次复合光纤平均应变。

所述正态隶属度云函数为：

                       cloud(Ex,En,He)

其中：

Ex为云函数的期望；

En为云函数的熵；

He为云函数的超熵。

所述铠装光电复合缆发生机械故障的隶属度的计算公式为：

$u\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& x<M/40.5\\ 1-\mathrm{cloud}(\mathrm{Ex},\mathrm{En},\mathrm{He})& M/40.5\&le;x<M/12.02\\ 1& M/12.02\&le;x\end{array}\right.$

其中：

u为铠装光电复合缆机械故障隶属度；

x为复合光纤的平均应变；

M为铠装层钢丝达到屈服应力时的应变值。

所述阈值的计算公式为：

                 m＝u1(x),

其中：

m为阈值；

u1(x)为海缆机械故障偏大型正态隶属度函数；

为故障判断值。

本发明的有益效果是：利用有限元分析软件ANSYS及其APDL语言建立精确的含铠装结构的光电复合缆模型，避免了因光电复合缆铠装层的不精确导致的偏差；再结合ANSYS强大的有限元前处理和计算能力、有限元分析软件LSPREPOSTD突出的有限元后处理能力和数值分析软件MATLAB优异的数值分析能力，获得准确的含铠装结构的光电复合缆应变和复合光纤应变的数学关系范围；给出了通过隶属度云函数计算光电复合缆机械故障隶属度的公式并求解。这为解决确定含铠装结构的光电复合缆和复合光纤应变关系及其故障判断问题提供了简单、准确，有效的方法。

附图说明

图1是本发明的工作流程图；

图2是本发明铠装光电复合缆结构剖面图；

图3是本发明铠装钢丝根数计算示意图；

图4是本发明光电复合缆的铠装层三维实体模型示意图；

图5是本发明含撞击船锚的光电复合缆三维实体模型示意图；

图6是本发明锚害机械故障仿真沙漏能和内能-时间曲线；

图7是本发明平均后的复合光纤应变-时间曲线（0°方向船锚撞击）；

图8是本发明光电复合缆铠装层最大应变-时间曲线（0°方向船锚撞击）；

图9是本发明0°方向船锚撞击下光电复合缆应变-复合光纤应变拟合曲线；

图10是本发明光电复合缆机械故障的偏大型正态隶属度云函数u(x)图示；

图11是本发明光电复合缆故障判断值概率分布图；

图12是本发明光电复合缆机械故障的偏大型正态隶属度函数u1(x)图示。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明综合考虑铠装层模型局部网格加密与整体沙漏能控制，并运用模糊数学的方法确定光电复合缆应变和复合光纤应变之间的关系，提出了一种利用光纤判断铠装光电复合缆机械故障的分析方法，采用此方法仿真的发生机械故障时的铠装光电复合缆应变分布，能够为通过分布式光纤传感测量的应变判断光电复合缆的机械故障情况提供理论依据。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

1）建立铠装光电复合缆几何模型：

利用有限元分析软件ANSYS及其APDL语言，根据实际情况方便、准确的建立任意绞合节距、绞合方向与层数的铠装层，并使各铠装层的绞合钢丝之间紧密接触，从而建立高精度的光电复合缆三维实体模型；

结合实际海缆参数，使用扫略螺旋线进而生成绞合钢丝的思想，利用有限元分析软件ANSYS的APDL语言绘制铠装层生成程序，快捷准确的建立任意绞合节距、绞合方向与层数的铠装层，建立符合实际的光电复合缆三维实体模型；同时简化模型，建模时将导体屏蔽与绝缘屏蔽近似为绝缘层，忽略外部绳被层。

2）建立铠装光电复合缆的有限元模型：

使用ANSYS软件构造铠装光电复合缆的有限元模型，完成对单元选择、材料确定、材料参数、载荷施加、接触类型、约束和求解设定，并划分有限元网格；

使用扫略网格划分和自由网格划分结合的方式来划分有限元网格，并通过设置组成铠装层绞合钢丝的圆柱体的轮廓线和面来加密发生机械损伤部分的网格；在铠装层与铠装层绞合缠绕部件之间加一层薄壳面，在不影响整体力学性能的情况下减少沙漏能在内能的5%以下，提高准确性。

3）仿真得到含铠装结构的光电复合缆任意位置的机械故障应变分布，使用LSPREPOSTD软件进行后处理，观察整体仿真过程并提取光电复合缆应变数据、光纤应变数据，使用数值分析软件MATLAB对数据进行处理，获得含铠装层的光电复合缆和复合光纤的应变关系范围；

光电复合缆机械故障应变分布为：

1.通过划分网格，将海缆结构离散，划分为若个单元。在每个单元上进行插值：

{f}＝[N]{q}_e

{f}为单元内任一点位移向量；{q}_e为单元节点位移向量；[N]为单元形函数矩阵（插值函数）。

2.再利用最小势能原理最终建立单元的刚度方程：

                         {F}_e＝[K]_e{q}_e

式中，[K]_e为单元刚度矩阵，{F}_e为单元节点力向量。

3.再进行总刚集成得到整体平衡方程：

                          [K]{q}＝{R}

[K]为整体刚度矩阵，{q}为整体节点位移向量，{R}为整体节点载荷向量。

进行载荷移置和约束处理，即可求解刚度方程，得到{q}，即模型中所有节点位移分量。联合几何方程：

                          {ε}＝[B]{q}_e

其中，{ε}为应变分布，[B]为应变矩阵，可求出每个单元应变，得到应变分布。

通过ANSYS软件控制矩阵参数，实现海缆有限元模型求解，并在LSPREPOSTD中显示、分析应变分布。利用ANSYS软件自动生成APDL程序功能，可修改模型参数数值，仿真结果计算结果就会产生相应变化，实现一个程序就能完整地计算发生机械故障时，不同铠装结构的光电复合缆任意位置的应变分布。

含铠装层的光电复合缆和复合光纤的应变关系范围为：

设复合光纤应变为x_i（即一段长度的复合光纤单元的平均应变），铠装层应变为y_i（即铠装层单元的最大应变），t为时间。通过N次仿真建立每次故障发生过程的x_i-t曲线和y_i-t曲线（i为仿真次数，i＝1,2,…N,N为最大仿真次数）。通过MATLAB拟合功能得到每次故障仿真的y_i-x_i关系式为：

                          y_i＝k_ix_i+b_i

其中：

i为仿真次数；

y_i为第i次铠装层应变；

k_i为第i次拟合系数；

x_i为第i次复合光纤应变；

b_i为第i次拟合的常数项。

得到铠装层应变-光纤应变范围：min(k₁,k₂,…k_i,…k_N)≤k≤max(k₁,k₂,…k_i,…k_N)，k为拟合系数，i为仿真次数，k_i为第i次仿真得到的拟合系数。

利用ANSYS软件的APDL语言编制应变计算程序，通过设置机械故障发生位置，实现任意位置的含铠装结构的光电复合缆机械故障应变分布的求解。将计算后的二进制输出文件导入LSPREPOSTD软件中，获得模型任意位置应变、位移、能量数据，观察内能与沙漏能变化并提取所需光纤应变、光电复合缆应变数据。应用MATLAB中的拟合功能，得到含铠装层的光电复合缆应变和复合光纤应变的数学关系范围；

4）构造复合光纤的平均应变x与铠装光电复合缆机械故障隶属度u的云函数，并对其求解。

根据模糊数学中模糊隶属度函数理论和光电复合缆与复合光纤的应变关系范围的数字特征，最终运用正向云发生器设计出复合光纤应变与海缆机械故障隶属度云函数，以及其求解方法。

一种利用光纤判断铠装光电复合缆机械故障的分析方法，利用ANSYS及其APDL语言的三维建模能力，方便和精确的建立含铠装层的光电复合缆模型，包括建立任意绞合节距、绞合方向与层数的铠装层，保证铠装层绞合钢丝之间的紧密接触以及铠装层钢丝与其缠绕部件的相切，提高了仿真的逼真度；同时，为了节省计算时间，建模时将导体屏蔽与绝缘屏蔽近似为绝缘层，忽略外部绳被层，从而能够很好的减少计算量，而由此引起的误差却相对极小。

在铠装层与其绞合缠绕部件之间加入一层薄壳面，极大的减少沙漏能且对模型力学性能影响微小，提高了仿真的逼真度；为提高网格划分效率与精度，结合了能较大提高计算效率的扫略网格划分方式（使用扫略网格划分方式划分8节点实体单元，减轻计算量）与比较精确的自由网格划分方式（使用自由网格划分方式划分4节点薄壳单元，计算精度高，对几何模型的逼近度好），并通过设置组成铠装层绞合钢丝的圆柱体的轮廓线和面来加密发生机械损伤部分的网格，提高仿真的精确度并减少计算量。

结合了ANSYS软件的菜单操作和自动生成命令流功能，同时，利用APDL语言将计算结果写入数据文件功能，快速高效的编制APDL程序，如果改变模型参数数值，仿真结果计算结果就会产生相应变化，实现一个程序就能完整地计算发生机械故障时，不同铠装结构的光电复合缆任意位置的应变分布；光纤在海缆结构中位置是固定的，而机械损伤发生位置多变，导致光纤对相同程度的损伤反应不同。固定海缆两端，用撞击物冲击海缆中心位置，然后依次将海缆偏转30°，共进行12组仿真，结合光纤传感的空间分辨率，运用LSPREPOSTD软件提取发生撞击位置处1米长光纤单元上的应变数据并进行平均处理，再提取铠装层发生撞击过程中每个时刻的最大应变，通过MATLAB对提取数据进行拟合，建立光电复合缆应变-光纤应变关系，由于在不同角度撞击下其关系不同，因而得到了光电复合缆应变-光纤应变关系范围。

光纤应变数据越大，代表海缆越有可能发生机械损伤，此特征满足偏大型正态分布特点，再结合光纤应变-铠装层应变关系是一个范围这个特点的模糊性，使用偏大型正态隶属度云函数描述光纤应变与机械故障的关系；再根据光纤应变-铠装层应变关系范围的数字特征，构建隶属度云函数的求解方法，从而对海缆机械故障做出判断。如果改变云函数参数数值，云函数的计算结果就会产生相应变化，从而能够得到铠装光电复合缆在不同求解条件下是否发生机械故障的判断。

图1为本发明的工作流程图，图2为本发明铠装光电复合缆结构剖面图。主要由3大部分组成，详细的步骤如下：

有限元前处理部分主要有2个步骤：

建立含铠装结构的光电复合缆的几何模型。其中的关键问题是建立精确的光电复合缆铠装层几何模型问题，铠装层是光电复合缆最主要的保护层，它由许多预制钢绳丝按一定规律捻制而成，钢丝铠装缠绕呈复杂的空间形状，并不是规则的几何体。本发明根据极限思想，使用数段圆柱体来逼近光电复合缆的铠装层，生成紧密相连且与铠装层缠绕的圆柱体相切的铠装层。光电复合缆的钢丝铠装层绞合缠绕于中心圆柱体周围，设此圆柱体半径为R，钢丝半径为r，当R已知时，钢丝在缠绕过程中有最多根数n，在最佳情况下钢丝之间,以及钢丝和圆柱体都相切。图3所示为铠装钢丝根数计算示意图。图3中钢丝过多,钢丝之间可以接触,但是钢丝与内圆无法接触,而这时实际接触圆(虚线圆)的半径为最大根数应该满足条件Rx≤R，因此得计算缠绕圆柱体最佳钢丝根数的计算公式为：

$n\&le;\frac{\mathrm{\&pi;}}{\arcsin r/(R+r)}$

使用柱坐标系，∣α∣表示组成一根钢丝的圆柱体数，α值的正负控制钢丝绞合方向为S或Z向，ф控制绞合钢丝的长度，ф∣α∣表示钢丝在Z轴的投影长度，β控制组成钢丝一个绞合节距长度的圆柱体数，360/β表示组成钢丝一个绞合节距长度的圆柱体数，i值表示中间变量。结合ANSYS的APDL语言，铠装层建模方法如下：

1.定义i为从0到α每次自增一的循环。

2.在柱坐标系中，定义x=R+r，y=β×i，z=ф×i。

3.生成α+1个kepoints，序号从1到α+1。

4.将相邻编号的kpoints直线相连，生成序号从1到α的lines。

5.以每条line为法线，在垂直法线方向，以line的起点为圆心，生成半径为r的圆面。

6.以每条line为中心轴，将圆面沿每条line拖拉形成圆柱体。

7.将α个圆柱体粘连形成一根绞合钢丝。

8.将钢丝每次偏移度，生成钢丝铠装层。

这样，结合参数n和R、r、α、β和ф值的设置，就可生成由紧密相连且与缠绕圆柱体相切的n根绞合钢丝组成的铠装层，其绞合节距为360ф/β，只需改变参数，就可使用ANSYS的APDL语言方便快捷的绘制不同规格的铠装层模型。

每根绞合钢丝由i段圆柱组成，需使用布尔操作将i段圆柱粘连起来，但不能使用布尔操作的加命令，它可能会导致网格划分的失败；一个绞合节距长度的铠装钢丝由多少段圆柱体来逼近关乎模型的精确度，此值不能取得过小，它会造成较大的公差和模型的严重不精确，影响模型各部件的组合，也不能过大，它会加重系统的负担。具体的取值没有严格的理论标准，目前只能通过试算来确定。本实施例中，使用9段圆柱体逼近一个绞合节距长度的铠装钢丝。建立完成的光电复合缆的铠装层三维实体模型如图4所示。再根据需求，在含铠装结构的光电复合缆周围添加引发机械故障的破坏物，可以改变破坏物的大小、位置、形态等特征，建立出更符合实际情况的机械故障模型。本实施例模拟了含铠装结构的光电复合海缆遭遇锚害时的情况，将船锚进行简化处理，图5所示为含撞击船锚的光电复合缆三维实体模型示意图。

2）设定材料参数、划分网格、施加载荷约束、设置接触，建立含铠装结构的光电复合缆机械故障有限元模型。其中一个关键问题是沙漏能的控制，沙漏能是由于在分析中采用缩减积分造成的，这种操作能加快计算速度，但是会造成一种单元的零能模式，称为沙漏模式。计算要求沙漏能小于内能的5％时才认为结果是可靠的。通过在光电复合缆两层铠装之间加入一层薄壳面，可以显著降低沙漏能，而对光电复合缆的力学性能影响极其微小，可以显著提高计算的可靠性。图6所示为锚害机械故障仿真沙漏能和内能-时间变化曲线。另一个关键问题是有限元网格的划分，为了提高网格划分效率，结合了能较大提高计算效率的扫略网格划分方式与比较精确的自由网格划分方式。在可能发生接触的铠装层部分，通过设置组成铠装层绞合钢丝的圆柱体的轮廓线和面来加密网格。这种方法划分的有限元网格，在发生接触的铠装层部分网格划分比较精细，而在其它部分划分的相对稀疏，这样能在保证计算精度的情况下，尽量地提高计算速度。

近海范围内锚害是海缆机械故障的主要诱因，故以锚害引起的海缆机械故障为例，使用本方法进行分析。由于近海小型船舶的船锚重量绝大部分在650Kg以下，取锚重为650Kg。船锚从海面上自由下落，设锚质量为m，密度为ρ,锚底迎水面投影面积为A_a，海水密度为ρ_w，海水阻力系数取c＝1.1，t为下落时间，s为水深，不考虑海水潮流影响，则船锚下落过程的运动方程为：

$\mathrm{mv}=-\frac{1}{2}{\mathrm{\&rho;}}_w{\mathrm{cv}}^2{A}_a+\mathrm{mg}-\mathrm{mg}\frac{{\mathrm{\&rho;}}_w}{{\mathrm{\&rho;}}_a}$

$s\left(t\right)={\&Integral;}_0^t\mathrm{vdt}$

计算出所需水深情况下船锚撞击速度，并施加约束将海缆两端固定。

由于光电复合缆内复合光纤与撞击位置的相对位置不同，会引起光电复合缆应变与复合光纤应变关系的不同，所以每次将光电复合缆正向偏转30°，共进行12组仿真获取不同相对位置下的光电复合缆应变与复合光纤应变关系。

有限元后处理部分：读取有限元分析软件ANSYS的仿真结果，将结果文件导入有限元分析软件LSPREPOSTD中进行后处理，观察整体仿真过程，提取所需光纤应变和海缆应变数据。仿真在25m水深环境下650Kg船锚撞击海缆的过程，撞击船锚位于光电复合缆中心的正上方0°方向，撞击发生在光电复合缆上的范围为-75mm～+75mm，提取范围为-500mm～+500mm范围上的光纤应变数据。经过网格划分后，此段1m长的光纤共由224个单元组成，将224组数据进行平均。图7所示为平均后的复合光纤应变-时间曲线（0°方向船锚撞击）。在力学分析中，铠装层对光电复合缆起最主要的保护作用，铠装层的失效意味着其保护光电复合缆功能的丧失，预示着即将发生机械故障。所以将铠装层最大应变近似于光电复合缆应变，通过光电复合缆应变判断其机械故障情况。提取撞击过程中每时态铠装层最大应变数值。图8所示为光电复合缆铠装层最大应变-时间曲线（0°方向船锚撞击）。

数值分析部分主要有3个步骤：

运用数值分析软件MATLAB对数据进行处理，获得光电复合缆和复合光纤的应变关系范围k。其中关键问题是光电复合缆应变变化趋势与复合光纤应变变化趋势虽然相同，但光电复合缆应变与复合光纤应变并不完全同步，复合光纤应变落后光电复合缆应变几个时态，需要调整时序，去掉冗余的重复数据。当铠装层钢丝达到屈服应力时认为铠装层开始失效，当光电复合缆应变到达第一个波峰时，此时的铠装层钢丝应力已超过屈服应力，取此时态之前的数据进行拟合，发现其近似满足线性关系。

                         y_i＝k_ix_i+b_i

其中：

i为仿真次数；

y_i为第i次铠装层应变；

k_i为第i次拟合系数；

x_i为第i次复合光纤应变；

b_i为第i次拟合的常数项。

图9所示为0°方向船锚撞击下光电复合缆应变-复合光纤应变拟合曲线。由于撞击位置与复合光纤相对位置的不同，导致光电复合缆应变与复合光纤应变关系为一个范围。通过12个方向的撞击仿真，得知12.02≤k≤40.5倍之间变化，而b值微小，约等于0，故作省略处理。

构造复合光纤应变x对海缆机械故障隶属度u的云函数，复合光纤应变对海缆机械故障的隶属度指对复合光纤应变隶属于海缆发生机械故障的描述，其值在0~1之间变化，1表示一定发生了故障，0表示一定没有发生故障。其中关键问题是光电复合缆应变与复合光纤应变的数学关系是一个范围，是由于撞击位置与绞合环绕的复合光纤两者相对位置不同造成的。取-500mm～+500mm范围复合光纤平均应变x，铠装层最大应变y，由仿真结果得知：

                   y＝k·x  12.02≤k≤40.5

已知铠装层钢丝达到屈服应力时的应变值为M，当光电复合缆铠装层应变达到M时铠装层开始失效，则发生机械故障时的x取值范围为[M/40.5,M/12.02]，当x＜M/40.5时，光电复合缆未发生机械故障，x≥M/12.02时，光电复合缆发生机械故障。故障可能性随着x变大而变大，故障可能性与光纤应变满足偏大型分布的特点。且由于撞击发生位置是随机的、不确定的，事件由许多独立的微小因素构成，符合正态分布的特点，可由偏大型正态分布来描述故障可能性与光纤应变之间的关系。而为了更加准确的描述故障发生的模糊性与不确定性，通过正向云发生器生成正态隶属度云函数，进而构造偏大型正态隶属度云函数进行描述。正态隶属度云函数定义为cloud(Ex,En,He)，其中：Ex为云函数的期望；En为云函数的熵；He为云函数的超熵。

产生正态隶属度云函数cloud(Ex,En,He)的正向云发生器算法描述如下：

(1)生成以En为期望值，He为标准差的一个正态随机数En′；

(2)生成以Ex为期望值，En′为标准差的正态随机数x；

(3)令x为海缆发生机械损伤的一次具体量化值，称为云滴；

(4)计算 $u=e^{-\frac{{(x-\mathrm{Ex})}^2}{2{\left(E{n}^{`}\right)}^2}};$

(5)令u为x属于海缆发生机械故障的隶属度；

(6){x,u}完整地反映了这一次定性定量转换的全部内容；

(7)重复(1)～(6)直到产生N个云滴为止。

在偏大型正态隶属度云函数中，期望Ex的值为云函数的峰顶，即隶属度最大时的x值，Ex＝M/12.02；熵En的值为3倍的横轴区间长度，En＝(M/12.02-M/40.5)/3；超熵He取值的大小反应云滴的离散程度，其取值还没有严格的理论标准，经过反复试验，He不宜取得过大，本实施例中超熵He取为Ex的1/40。使用正向云发生器，根据正态隶属度云函数构造出光电复合缆机械故障的偏大型正态隶属度云函数u(x)，则铠装光电复合缆机械故障隶属度u的计算公式为：

$u\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& x<M/40.5\\ 1-\mathrm{cloud}(\mathrm{Ex},\mathrm{En},\mathrm{He})& M/40.5\&le;x<M/12.02\\ 1& M/12.02\&le;x\end{array}\right.$

其中：

u为铠装光电复合缆机械故障隶属度；

x为复合光纤的平均应变；

M为铠装层钢丝达到屈服应力时的应变值。

图10所示为光电复合缆机械故障的偏大型正态隶属度云函数u(x)。

求解云函数，得到光电复合缆机械故障判断。其中一个关键问题是故障阈值m的选择，m的大小影响故障判断的漏判与误判，m取值偏大漏判多误判少，m取值偏小漏判少误判多。m的取值通过故障判断值L（即不同角度下发生故障时的光纤应变）计算获得，故障判断值L的上限M/12.02是在撞击发生位置与复合光纤的相对位置最近的情况下得到的，故障判断值的下限M/40.5是在撞击发生位置与复合光纤的相对位置最远的情况下得到的，每个角度下的撞击都可以得到一个相应的故障判断值。L的不确定是因为撞击角度的不同造成的，由于事件由许多独立的微小因素构成，满足正态分布特征，使用正态分布来描述L的取值与其可能性之间的关系。故障判断值与撞击角度相对应，发生撞击的位置与复合光纤的相对位置最近和最远的事件概率低，发生撞击的位置与复合光纤的相对位置既不是最近也不是最远的事件概率高，即两头小，中间大。根据概率统计3σ原则与取值的上下限求得，(M/12.02-M/40.5)/2≈3σ，正态分布中心E＝(M/12.02-M/40.5)/2+M/40.5，标准差σ＝(M/12.02-E)/3。即L服从正态分布：

N(E,σ) $E=\frac{M/12.02-M/40.5}{2}+M/40.5,$ $\mathrm{\&sigma;}=\frac{(M/12.02-E)}{3}$

图11所示为光电复合缆故障判断值概率分布图。运用概率论与数理统计的方法缩小区间，以85%的置信区间为例，则经计算得知L有85%的概率是在(E-1.446σ,E+1.446σ)区间内，此区间对应着发生撞击的位置与复合光纤相对位置的范围，即撞击发生在此范围内的概率为85%，此时L的下限被缩减为E-1.446σ，则：

$\stackrel{\&OverBar;}{L}=\frac{M/12.02+M/40.5}{2}-1.446\frac{M/12.02-M/40.5}{6}$

当故障判断值L取时，从船锚撞击过程中光电复合缆应变达到值时开始，近似认为故障发生。将带入偏大型正态隶属度函数u1(x)即可求得阈值m，偏大型正态隶属度函数u1(x)进行云函数化之后即是偏大型正态隶属度云函数u(x)，所以u1(x)的参数与u(x)的参数相同，区别在于一个是单值函数，一个是多值函数，构造方法不同。图12所示为光电复合缆机械故障的偏大型正态隶属度函数u1(x)。则u1(x)可写为：

$u1\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& x\&le;M/40.5\\ N(M/12.02,\frac{M/12.02-M/40.5}{3})& M/40.5\&le;x\&le;M/12.02\\ 1& M/12.02\&le;x\end{array}\right.$

其中，是期望为x＝M/12.02，标准差为的正态分布，则：

$m=u1\left(\stackrel{\&OverBar;}{L}\right)$

另一个关键问题是云函数的求解，因为云函数不连续，取值不连贯，输入单一应变不一定得到其对应的故障可能性，需要将输入应变扩充为一小段区间，求其返回隶属度中的最小值u_min与阈值m比较。在本实施例中，令β＝(M/12.02-M/40.5)/1000，当前测得光纤应变为ε，求x＝(ε-β，ε+β)对应的故障隶属度数组集合，此区间长度为总区间长度的0.2%，一个4000点的云函数大约有1-20个左右的返回值，取返回值集合中最小的数值与m相比，大于m则做出故障判断，小于m则做出正常判断：

如改变工况参数或故障参数（如撞击物形状、铠装层钢丝达到屈服应力时的应变值M、置信区间概率、云函数的超熵He等），判断结果就会产生相应变化，既可以根据不同的光电复合缆修改仿真参数，也可以根据不同需要修改求解参数，从而可用于光电复合缆在不同条件下的故障判断。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种利用复合光纤判断铠装光电复合缆机械故障的分析方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：建立铠装光电复合缆几何模型；

步骤2：在步骤1的基础上，建立铠装光电复合缆的有限元模型；

步骤3：在步骤2的基础上计算铠装光电复合缆和复合光纤的应变关系范围；

步骤4：利用应变关系范围，根据正态隶属度云函数构造复合光纤应变对铠装光电复合缆机械故障的偏大型正态隶属度云函数，计算铠装光电复合缆发生机械故障的隶属度，通过与阈值的比较对铠装光电复合缆状态做出判断；

所述应变关系范围为min(k₁,k₂,…k_i,…k_N)≤k≤max(k₁,k₂,…k_i,…k_N)，其中，k为拟合系数，i为仿真次数，k_i为第i次仿真得到的拟合系数，i＝1,2,…N,N为最大仿真次数；

所述k_i的计算公式为：

y_i＝k_ix_i+b_i

其中：

y_i为第i次铠装层应变；

x_i为第i次复合光纤平均应变；

b_i为第i次拟合的常数项；

所述正态隶属度云函数定义为：

cloud(Ex,En,He)

其中：

Ex为云函数的期望；

En为云函数的熵；

He为云函数的超熵；

所述铠装光电复合缆机械故障隶属度函数u(x)的计算公式为：

$u\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& x<M/40.5\\ 1-\mathrm{cloud}(\mathrm{Ex},\mathrm{En},\mathrm{He})& M/40.5\&le;x<M/12.02\\ 1& M/12.02\&le;x\end{array}\right.$

其中：

u为铠装光电复合缆机械故障隶属度；

x为复合光纤的平均应变；

M为铠装层钢丝达到屈服应力时的应变值；

所述阈值的计算公式为：

$m=\mathrm{ul}\left(x\right),x=\stackrel{\&OverBar;}{L}$

其中：

m为阈值；

u1(x)为铠装光电复合缆机械故障偏大型正态隶属度函数；

x为复合光纤的平均应变；

为故障判断值。

2.根据权利要求1所述的一种利用复合光纤判断铠装光电复合缆机械故障的分析方法，其特征是所述铠装光电复合缆几何模型的铠装层通过有限元分析软件ANSYS及其APDL语言建立。

3.根据权利要求2所述的一种利用复合光纤判断铠装光电复合缆机械故障的分析方法，其特征是所述铠装层和铠装层绞合缠绕部件之间加有一层减少沙漏能的薄壳面。