CN105046002A - 光电复合海缆材料物性参数自动修正方法 - Google Patents

Abstract

一种光电复合海缆材料物性参数自动修正方法，通过ANSYS参数化设计语言形成的APDL自动化温度场建模脚本读取海缆光纤材料物性参数文件并自动化运行，生成海缆光纤的理论温度值，软件开发平台计算海缆光纤实测温度值和海缆光纤理论温度值之间的温度误差值，软件开发平台对温度误差值超过允许范围的海缆光纤的材料物性参数进行修正，并用修正后的材料物性参数更新海缆光纤材料物性参数文件，直至迭代获得可使海缆光纤实测温度值和海缆光纤理论温度值的温度误差值位于允许范围内的材料物性参数。本发明高效、简易、自动、快捷，可大大缩短建模操作周期，减少修正参数所需要的人员分配，实现高效建模和精确建立导体温度数据库的双赢。

Description

光电复合海缆材料物性参数自动修正方法

技术领域

本发明涉及一种光电复合海缆材料物性参数自动修正方法。

背景技术

海上油气资源的建设开采过程中，海上石油平台的电力系统是海洋石油油气开采作业系统中的一个重要组成部分，为整个海上石油开采系统提供能源和动力，保证正常的海底石油开采和平台上的日常运行所需，而平台与平台间通过光电复合海缆（下文简称海缆）进行电力供应及通信联络。一旦海缆发生故障，就会造成不可想象的巨大损失。导体温度作为评估海缆安全状态的一个重要参数，是决定海缆寿命的重要因素，也是确定载流量的重要依据，有必要对其进行实时监测。刘频频等通过ANSYS（有限元分析）软件GUI（图形用户界面，GraphicalUserInterface）操作，对海缆进行有限元建模，以此分析温度场分布，建立了“一种光电复合海缆温度场建模计算分析方法”（专利号：CN102880747A）。他们在查阅大量海缆文献资料后找到海缆各层材料物性参数，并施加一定载荷等边界条件，建立模型计算温度场分布。由于所获的海缆各组成材料的物性参数与部分环境参数的不确定性，他们根据建模得到的温度数据和真实工程得到的数据进行人工手动操作迭代，得到符合工程要求的数值。该方法虽也能完成整个温度场建模得到导体温度的目的，但却需要及其漫长的修正时间，耗费大量人力完成海缆建模数据的前期准备工作。而且对于不同的海缆，每次都要重新建立模型计算，重复工作的过程及其繁琐。

发明内容

本发明提供一种光电复合海缆材料物性参数自动修正方法，是一种高效、简易、自动、快捷的参数修正方法，为建模得到精确数据提供可靠的材料定义，可大大缩短建模操作周期，减少修正参数所需要的人员分配，只需导入规范的材料定义命令，便能全自动导出理想修正参数，最终实现高效建模和精确建立导体温度数据库的双赢。

为了达到上述目的，本发明提供一种光电复合海缆材料物性参数自动修正方法，通过ANSYS参数化设计语言将整个光电复合海缆温度场建模GUI操作形成APDL自动化温度场建模脚本，通过软件开发平台编写数据导入控件，将海缆光纤的初始材料物性参数保存成APDL自动化温度场建模脚本可以读取的海缆光纤材料物性参数文件，APDL自动化温度场建模脚本通过批处理方法读取海缆光纤材料物性参数文件并自动化运行APDL自动化温度场建模脚本，生成海缆光纤的理论温度值，软件开发平台计算海缆光纤实测温度值和海缆光纤理论温度值之间的温度误差值，如果有任何一组温度误差值超过了允许范围，则软件开发平台对温度误差值超过允许范围的海缆光纤的未知材料物性参数进行修正，并用修正后的材料物性参数更新海缆光纤材料物性参数文件，APDL自动化温度场建模脚本使用更新后的海缆光纤材料物性参数文件生成新的海缆光纤的理论温度值，软件开发平台再次计算海缆光纤实测温度值和新的海缆光纤理论温度值之间的温度误差值，并根据温度误差值修正海缆光纤的材料物性参数，直至迭代获得可使海缆光纤实测温度值和海缆光纤理论温度值的温度误差值位于允许范围内的材料物性参数。

APDL自动化温度场建模脚本将海缆光纤的理论温度值数据保存成海缆光纤理论温度值文件。

所述的海缆光纤实测温度值是通过布里渊光时域分析设备获得的，该布里渊光时域分析设备将获取的海缆光纤实测温度值数据保存成海缆光纤实测温度值文件。所述的光电复合海缆温度场建模GUI操作包含前处理部分、计算部分和后处理部分；

所述的前处理部分包含：参数化材料定义、建立海缆模型、网格划分；

所述的计算部分包含：定义分析类型、参数化载荷及边界条件、计算；

所述的后处理部分包含：定义路径输出温度结果、显示温度云图。

所述的海缆光纤材料物性参数包含每一类材料的密度、比热容和换热系数。

制作海缆的所有材料包含以下8类材料：

1、光纤；

2、填充、内垫层、外被层、纤膏；

3、钢管；

4、绝缘、沥青＋ＰＥ护套；

5、导体；

6、导体屏蔽、绝缘屏蔽、半导电缓冲；

7、铅套；

8、钢丝铠装。

所述的批处理方法是指：自动将初始材料物性参数文件或者修正后的材料物性参数文件带入APDL自动化建模脚本进行运行。

如果所有的温度误差值都没有超过允许范围，则软件开发平台导出海缆光纤材料物性参数，作为最优材料物性参数。

所述的温度误差值的允许范围是误差值小于等于3%。

所述的修正海缆光纤的材料物性参数是指修正换热系数，该换热系数与温度成反比关系。

本发明是一种高效、简易、自动、快捷的参数修正方法，为建模得到精确数据提供可靠的材料定义，可大大缩短建模操作周期，减少修正参数所需要的人员分配，只需导入规范的材料定义命令，便能全自动导出理想修正参数，最终实现高效建模和精确建立导体温度数据库的双赢。

附图说明

图1是本发明提供的一种光电复合海缆材料物性参数自动修正方法的流程图。

具体实施方式

以下根据图1具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种光电复合海缆材料物性参数自动修正方法，包含以下步骤：

步骤S1、通过布里渊光时域分析设备（BOTDA）获取海缆光纤的实测温度值，将获取的海缆光纤实测温度值数据保存成海缆光纤实测温度值文件。

本实施例中，布里渊光时域分析设备BOTDA以20A为电流差，取100A～280A范围内的10组海缆光纤实测温度值，保存成文本PraFiber.txt。

步骤S2、通过ANSYS参数化设计语言将整个光电复合海缆温度场建模GUI操作写成命令，保存成文件，形成APDL自动化温度场建模脚本。

所述的光电复合海缆温度场建模GUI操作包含前处理部分、计算部分和后处理部分。

所述的前处理部分包含：参数化材料定义、建立海缆模型、网格划分；所述的计算部分包含：定义分析类型、参数化载荷及边界条件、计算；所述的后处理部分包含：定义路径输出温度结果、显示温度云图。

其中，参数化材料定义是在’MP’命令定义材料参数数值时，用三个数组代替各材料的密度、比热容、换热系数，然后使用’DIM’和“TREAD”命令从外部文件夹读取详细内容至相应数组中，只需改变外部文件中的参数值便能灵活改变命令脚本中的参数定义值。

建立海缆模型实则建立的是海缆截面，因为在同条海缆内我们认定温度是均匀分布，除非发生故障，某处温度突升；可根据给定材料厚度及海缆结构，依次向外画圆环或者画同心圆然后交迭操作，完成相同的效果。

网格划分：复合海缆的温度场模型是一个二维模型，在进行网格划分时，可以选用三角形单元、四边形单元来进行划分；有限元网格划分得越密，单元数越多，计算精度越高，所得解越逼近真实值；然而，随着单元数目的剧增，求解时间以及所需计算机资源也随之剧增，因此，在综合考虑计算精度、计算时间、耗费资源的基础上，网格划分时选用四节点四边形单元，并且采用智能网格划分工具来进行不均匀网格划分；在形状复杂和温度剧烈变化的区域进行细划分，其他区域的网格划分则相对稀疏。

定义分析类型：主要针对的是海缆的稳态分析。

参数化载荷及边界条件：载荷即海缆承受电流大小，边界条件包裹模型外围温度及对流换热；使用同定义材料参数相同的命令来定义载荷及边界条件。

本实施例中，ANSYS参数化设计语言将APDL自动化温度场建模脚本保存成文件APDL.txt。

步骤S3、通过软件开发平台编写数据导入控件，将海缆光纤的初始材料物性参数保存成APDL自动化温度场建模脚本可以读取的海缆光纤材料物性参数文件。

所述的海缆光纤材料物性参数包含每一类材料的密度、比热容和换热系数。

制作海缆的所有材料包含以下8类材料：

1、光纤；

2、填充、内垫层、外被层、纤膏；

3、钢管；

4、绝缘、沥青＋ＰＥ护套；

5、导体；

6、导体屏蔽、绝缘屏蔽、半导电缓冲；

7、铅套；

8、钢丝铠装。

每一类材料都包含密度、比热容和换热系数，因此总共有24个参数；若敷设在海床下，还包含海底泥土的换热系数，共25个参数。

本实施例中，采用外部开发软件LabWindows/CVI（美国国家仪器公司推出的交互式C语言开发平台）编写数据导入控件，将名为“parameter.ini”的初始材料物性参数中的8种材料的密度、比热容、换热系数分别保存成名为“DENS.tx”、“C.txt”、“KXX.txt”的三个文件。

步骤S4、APDL自动化温度场建模脚本通过批处理（Batch）方法读取海缆光纤材料物性参数文件并自动化运行APDL自动化温度场建模脚本，生成海缆光纤的理论温度值，将海缆光纤的理论温度值数据保存成海缆光纤理论温度值文件。

所述的批处理方法是指：自动将初始材料物性参数文件或者修正后的材料物性参数文件带入APDL自动化温度场建模脚本进行运行。

本实施例中，APDL自动化温度场建模脚本生成十组以20A为电流差，取100A～280A范围内的海缆光纤的理论温度值，保存成文本ExFiber.txt。

步骤S5、软件开发平台读取海缆光纤实测温度值文件和海缆光纤理论温度值文件，进行数学运算取温度误差值。

对每一组对应的实测温度值和理论温度值分别计算温度误差值。

步骤S6、软件开发平台判断海缆光纤实测温度值和海缆光纤理论温度值之间的温度误差值是否超过允许范围（可取误差值小于等于3%为允许范围），如果有任何一组温度误差值超过了允许范围，进行步骤S7，如果所有的温度误差值都没有超过允许范围，进行步骤S8。

步骤S7、软件开发平台对温度误差值超过允许范围的海缆光纤的材料物性参数进行修正，进行步骤S3，更新海缆光纤材料物性参数文件。

所述的修正海缆光纤的材料物性参数是指修正换热系数，该换热系数与温度成反比关系。

换热系数的修正步骤包含：将理论温度值与实测温度值进行减法运算，若相减值大于0，则通过二分法取下边界与该换热系数值之间的二分值，反之则取上边界与该换热系数值之间的二分值，通过该方法缩小修正数据。

步骤S8、软件开发平台导出海缆光纤材料物性参数数据。

本发明提供了一种高效、简易的计算分析方法，并且通过外部软件的二次开发，提供了一种自动、快捷的参数修正方法，为建模得到精确数据提供可靠的材料定义，可大大缩短建模操作周期，减少修正参数所需要的人员分配，只需导入规范的材料定义命令，便能全自动导出理想修正参数，最终实现高效建模和精确建立导体温度数据库的双赢。

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 (10)

1.一种光电复合海缆材料物性参数自动修正方法，其特征在于，通过ANSYS参数化设计语言将整个光电复合海缆温度场建模GUI操作形成APDL自动化温度场建模脚本，通过软件开发平台编写数据导入控件，将海缆光纤的初始材料物性参数保存成APDL自动化温度场建模脚本可以读取的海缆光纤材料物性参数文件，APDL自动化温度场建模脚本通过批处理方法读取海缆光纤材料物性参数文件并自动化运行APDL自动化温度场建模脚本，生成海缆光纤的理论温度值，软件开发平台计算海缆光纤实测温度值和海缆光纤理论温度值之间的温度误差值，如果有任何一组温度误差值超过了允许范围，则软件开发平台对温度误差值超过允许范围的海缆光纤的未知材料物性参数进行修正，并用修正后的材料物性参数更新海缆光纤材料物性参数文件，APDL自动化温度场建模脚本使用更新后的海缆光纤材料物性参数文件生成新的海缆光纤的理论温度值，软件开发平台再次计算海缆光纤实测温度值和新的海缆光纤理论温度值之间的温度误差值，并根据温度误差值修正海缆光纤的材料物性参数，直至迭代获得可使海缆光纤实测温度值和海缆光纤理论温度值的温度误差值位于允许范围内的材料物性参数。

2.如权利要求1所述的光电复合海缆材料物性参数自动修正方法，其特征在于，APDL自动化温度场建模脚本将海缆光纤的理论温度值数据保存成海缆光纤理论温度值文件。

3.如权利要求1所述的光电复合海缆材料物性参数自动修正方法，其特征在于，所述的海缆光纤实测温度值是通过布里渊光时域分析设备获得的，该布里渊光时域分析设备将获取的海缆光纤实测温度值数据保存成海缆光纤实测温度值文件。

4.如权利要求1所述的光电复合海缆材料物性参数自动修正方法，其特征在于，所述的光电复合海缆温度场建模GUI操作包含前处理部分、计算部分和后处理部分；

所述的前处理部分包含：参数化材料定义、建立海缆模型、网格划分；

所述的计算部分包含：定义分析类型、参数化载荷及边界条件、计算；

所述的后处理部分包含：定义路径输出温度结果、显示温度云图。

5.如权利要求1所述的光电复合海缆材料物性参数自动修正方法，其特征在于，所述的海缆光纤材料物性参数包含每一类材料的密度、比热容和换热系数。

6.如权利要求5所述的光电复合海缆材料物性参数自动修正方法，其特征在于，制作海缆的所有材料包含以下8类材料：

1、光纤；

2、填充、内垫层、外被层、纤膏；

3、钢管；

4、绝缘、沥青＋ＰＥ护套；

5、导体；

6、导体屏蔽、绝缘屏蔽、半导电缓冲；

7、铅套；

8、钢丝铠装。

7.如权利要求1所述的光电复合海缆材料物性参数自动修正方法，其特征在于，所述的批处理方法是指：自动将初始材料物性参数文件或者修正后的材料物性参数文件带入APDL自动化建模脚本进行运行。

8.如权利要求1所述的光电复合海缆材料物性参数自动修正方法，其特征在于，如果所有的温度误差值都没有超过允许范围，则软件开发平台导出海缆光纤材料物性参数，作为最优材料物性参数。

9.如权利要求8所述的光电复合海缆材料物性参数自动修正方法，其特征在于，所述的温度误差值的允许范围是误差值小于等于3%。

10.如权利要求8所述的光电复合海缆材料物性参数自动修正方法，其特征在于，所述的修正海缆光纤的材料物性参数是指修正换热系数，该换热系数与温度成反比关系。