CN111814285B - 一种海缆弯曲保护器的拓扑优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海缆弯曲保护器的拓扑优化设计方法，建立海缆弯曲保护器的初始三维模型；将初始三维模型导入到HyperMesh软件OptiStruct模块中；对初始三维模型进行网格划分并定义其材料属性；对海缆弯曲保护器的三维模型进行拓扑优化设计：创建三个载荷集和两个工况、确定载荷集的载荷和约束、定义拓扑优化设计变量，选择拓扑优化模型组件将所有设计属性均包含在初始三维模型内，定义初始三维模型的质量分数下限值和目标函数为最小应变能，对海缆弯曲保护器的密度进行迭代优化并计算求解；将二维拓扑优化设计结果与三维拓扑优化设计结果进行对比验证三维拓扑优化设计结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及海洋机械技术领域，尤其涉及一种海缆弯曲保护器的拓扑优化 设计方法。
背景技术
现在99％的越洋互联网数据传输通过海底电缆进行传输，海底电缆的发展 获得了巨大的增长。海底电缆是海上风场开发的关键装备之一。为了防止桩基 附近的海缆在位过程中发生破坏，需要用弯曲保护器装置对海缆进行弯曲保护。 目前我国弯曲保护器装置产业正处于起步阶段，有必要尽快掌握弯曲保护器装 置的优化设计技术。
风电桩基附近的海缆在安装以及在位运行的过程中，会承受自重、风浪、 海流、桩基、海床等因素的共同作用，由于海缆的弯曲刚度较小，海缆和固定 端连接处很可能发生弯曲破坏，海缆及其弯曲保护器装置安装示意图如图1所 示。一旦海缆发生破坏，会造成很大的经济损失。为了防止海缆发生破坏，需 要采用各种防护技术以及防护装备对其进行保护。其中，弯曲保护器装置就是 一种很重要的防护装备，弯曲保护器装置通过各子结构之间相互扣锁的方式为 海缆附加额外的弯曲刚度，从而达到有效防止海缆发生弯曲破坏的目的，海缆 弯曲保护器装置结构原理如图2和图3所示。
目前，国内外的学术研究多集中在海缆整体线型和局部截面结构强度和疲 劳分析设计方面，对于风电海缆应用中的弯曲保护器装置以及弯曲保护器设计 和优化的少有研究。由于海缆对于弯曲保护器装置的需求量之大，需要对现有 的弯曲保护器装置进行优化，在保证弯曲保护能力的同时，走低成本的发展之 路才是正确的选择。传统的海缆弯曲保护器设计优化往往比较保守，仅仅在结 构尺寸上做有限的修整，结构形式仍然庞大而且笨重，相应的生产安装费用得 不到有效的缩减。因此，设计一种合理并且轻量化的海缆弯曲保护器已成为我 国海洋发展的迫切需求了。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种海缆弯曲保护器的拓扑优化 设计方法，通过该方法能够保持在原有工作强度基础上减轻重量，使得整体结 构形状趋于更加美观的流线型，且应力分布均匀，从而提高结构安全系数和服 役寿命。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现的：
建立海缆弯曲保护器的初始三维模型；
对海缆弯曲保护器的原始结构进行拓扑优化设计，将初始三维模型导入到HyperMesh软件OptiStruct模块中；
对初始三维模型进行网格划分并定义其材料属性；
对海缆弯曲保护器的三维模型进行拓扑优化设计：创建三个载荷集和两个 工况、确定载荷集的载荷和约束、定义拓扑优化设计变量，选择拓扑优化模型 组件将所有设计属性均包含在初始三维模型内，定义初始三维模型的质量分数 下限值和目标函数为最小应变能，对海缆弯曲保护器的密度进行迭代优化并计 算求解；
选取初始三维模型的二维旋转面重新分析从而进行二维拓扑优化设计，将 二维拓扑优化设计结果与三维拓扑优化设计结果进行对比验证三维拓扑优化设 计结果的准确性。
提取海缆弯曲保护器三维模型的拓扑优化结果，利用MATLAB软件将优化后 的三维模型显示在图像上，选择三维模型过渡处的关键点，将关键点的坐标输 入MATLAB程序中拟合出贝塞尔曲线并进行平滑线处理从而输出结果曲线。
提取三维拓扑优化设计结果和贝塞尔曲线，采用SolidWorks软件模拟出相 同的模型外轮廓曲线并修改内部尖角部分得出最后的海缆弯曲保护器三维模型。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种海缆弯曲保护器的拓扑优化 设计方法与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
(1)本发明优化后的结构与优化前的结构相比，在保证刚度和强度的要 求下，大约减轻重量约35％左右，在弯曲保护器装置的需求量如此大的前提 下，显著地节约了生产成本；
(2)本发明优化后的结构，通过曲线拟合再次调整结构，使得整体结构 呈现流线型，外观更加简洁和美观，同时易于加工生产；
(3)本发明优化后的结构加工简单，可利用数控车床一次性加工成型， 避免二次加工装夹造成的精度影响，节省时间、人力和成本；
(4)优化后的弯曲保护器结构在承受外荷载时结构内部应力分布更加均 匀，避免由于尖角处应力集中而造成破坏，提高了海缆弯曲保护器的寿命；
(5)流线型结构特征降低了海流作用面积，能够有效降低海流的冲刷作 用，减小波浪和海流对海缆弯曲保护器的作用力，避免海流速度过大造成缆 体和弯曲保护器的破坏；
(6)海缆弯曲保护器安装就位后，海生物会在结构表面附着并持续生长。 海生物的存在会增加结构的质量和尺寸，从而加大波浪和海流对结构的作用 力。优化后的结构表面更加光滑，海生物附着生长较为困难，有效地保证了 海缆弯曲保护器结构安全；
(7)本发明采用的海缆弯曲保护器实际使用中是由多个相同子结构组成 的重复结构，和原来的结构相比，优化后的结构既保证了结构连接处适配性 更加精准，耐磨性强，有效地提高了使用年限；
(8)本发明中的拓扑优化方法能够保证计算精度的前提下，提高迭代计 算求解效率，同时适用于海洋工程中类似结构的拓扑优化问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的 附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中海缆安装示意图；
图2为现有技术中海缆弯曲保护器装置结构原理示意图；
图3为现有技术中海缆弯曲保护器装置整体结构示意图；
图4为现有技术中海缆弯曲保护器装置子结构的结构形式；
图5为现有技术中海缆弯曲保护器装置整体受力状态示意图；
图6为本发明海缆弯曲保护器装置拓扑优化方法流程图；
图7为本发明海缆弯曲保护器装置三维结构图；
图8为本发明海缆弯曲保护器装置网格划分效果图；
图9为本发明海缆弯曲保护器装置三维模型拓扑优化结果图；
图10为本发明海缆弯曲保护器装置三维模型拓扑优化结果剖分图；
图11为本发明海缆弯曲保护器装置二维模型拓扑优化结果图；
图12为本发明MATLAB曲线拟合流程图；
图13为本发明优化结果中的关键过渡点及拟合的曲线图；
图14为本发明海缆弯曲保护器装置最终优化结果模型图；
图15为本发明海缆弯曲保护器装置最终优化结果模型剖分图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
海缆弯曲保护器是由多个相同子结构组成的重复结构，整体结构示意图如 图3所示。海缆弯曲保护器的子结构形式如图4，可将其分为踵状段、圆筒段和 外罩段三个部分。建立三维模型时要考虑两个子结构间的适配性，为了便于优 化分析海缆弯曲保护器，可以选取一节弯曲保护器作为分析对象。
在上述结构模型的基础上，本发明通过拓扑优化方法进行优化设计，即在 给定的空间内找到最优的材料分布。拓扑优化设计有三要素，即设计变量、目 标函数和约束条件。设计变量是发生改变从而提高性能的一组参数；目标函数 要求最优的设计性能，是关于设计变量的函数；约束条件是对设计变量及其他 性能的要求。
海缆弯曲保护器装置在运行工况下处于锁合状态，各子结构之间的相互作 用为挤压力，海缆与海缆弯曲保护器装置之间存在摩擦力，海缆弯曲保护器装 置整体受力状态如图5。
根据上述分析本专利提出了一种轻量化海缆弯曲保护器结构拓扑优化设计 方法，优化问题的数学模型表示为：
To findρ＝(ρ1,ρ2,…ρn)T
MinimizeC(ρ)＝UTKU
式中：C(ρ)为设计目标，如各种力学性能或重量，本发明为最小应变能，U表 示海缆弯曲保护器结构模型整体位移矩阵，F表示海缆弯曲保护器结构模型整体 受承受的力矩阵，K表示海缆弯曲保护器结构模型整体刚度矩阵，ρi表示设计变 量的向量，ρmin表示相对密度最小的向量，M0和M(ρ)分别表示优化前和优化后 的质量；f为规定的质量分数，本发明设置为0.6，以防止在优化过程中减少过 多的材料导致模型刚度的降低及变形加剧，依据上述拓扑优化方法本发明的设 计流程如图6所示。
现有商业软件SolidWorks是优秀的三维建模软件，而Altair OptiStruct是目 前公认优化算法稳健、优化类型全面、工程实用价值大的拓扑优化软件，其为 上述优化策略的实施提供了有效的工具，本发明依托但不局限于该软件阐述优 化设计方法，其具体实现步骤包括：
(1)利用SolidWorks软件建立海缆弯曲保护器装置的初始三维模型，如图 7所示，将其导入到HyperMesh软件；
(2)利用HyperMesh软件划分模型网格，网格划分效果如图8所示，定义 材料属性。对于海缆弯曲保护器的材料分为金属和聚氨酯两种，由于海洋环境 的特殊性，既需要保证海缆弯曲保护器具备足够的防腐蚀能力，又要保证材料 不会随着工作环境温度的变化而发生过大的变化。故本发明选择聚氨酯材料；
(3)选择LoadCollector创建三个载荷集，考虑到实际应用情况，使用一个 载荷集在Analysis页constraints面板施加约束，另外两个载荷集分别在Analysis 页forces面板施加载荷；
(4)在Analysis页loadsteps面板创建两个载荷步，一个载荷和约束定义为 一个载荷步，另一个载荷和约束定义为第二个载荷步；
(5)在Analysis页optimization面板，选择topology定义拓扑优化设计变量， 选择拓扑优化模型组件，将所有设计属性均包含在该设计空间；选择response 定义两个响应分别为质量分数massfrac及加权应变能weighted comp；
(6)在optimization面板中的dconstraints，定义质量分数下限为0.6，即优 化后模型的质量是原模型质量的0.6倍，定义目标函数为加权应变能最小；
(7)选择OptiStruct进行迭代优化计算求解，选择Hyperview查看并显示优 化结果，海缆弯曲保护器装置结构优化结果及剖面图如图9及图10所示。根据 结果调整拓扑优化参数(CHECKER和DISCRETE)，尽量避免棋盘格现象；
(8)选取三维模型的二维旋转面重新分析，进行二维的拓扑优化设计，二 维平面优化结果如图11所示，同时比较结果，证明该结果是合理可行的。
(9)根据拓扑优化的结果，利用MATLAB软件进行贝塞尔曲线(又称b样 条曲线)拟合使其结构外表趋于流线型，一般拟合曲线参数表述式如下式所示， 其中P0、P1、…、Pn为参考点。
本发明选取了15个关键点，采用的是十五次贝塞尔曲线，用来描绘曲线轮 廓。曲线的参数形式为：
B(t)＝P0(1-t)15+15P1(1-t)14t+105P2(1-t)13t2+…+P15t15, t∈[0,1]
设计流程图如图12所示，具体步骤为：将优化后的模型显示在图像上，选 择数据游标功能选取模型过渡处的关键点，记录下每一个关键点的坐标并生成 出一条贝塞尔拟合曲线，最后进行平滑线处理，让整个曲线看起来更加流线型， 保存最后输出结果曲线，关键点及拟合的曲线如图13所示。
(10)根据MATLAB软件所输出的曲线和模型，利用SolidWorks软件模拟 出相同的模型外轮廓曲线，修改内部尖角部分，保证平滑的过渡，同时注意海 缆弯曲保护器左右两端的适配性，保证每一节都可以互相匹配连接，最后优化 的模型图和剖分图如图14和图15所示。
实施例：
如图3所示，一种现有的海缆弯曲保护器装置整体结构，各位置尺寸符 号已详细标注。海缆弯曲保护器是由多个相同子结构组成的重复结构，可以 选取一节弯曲保护器作为分析对象，建立三维模型时便于后续优化设计，利 用SolidWorks软件建立海缆弯曲保护器装置的初始三维模型，如图7所示。 各部位具体尺寸按照表1和表2之间的公式关系得出，具体尺寸三维模型尺 寸如表3。
表1关键尺寸指标
表2各参数间的几何关系
表3关键尺寸参数设计
(1)依据上述几何尺寸，利用SolidWorks软件建立海缆弯曲保护器装置的 初始三维模型，将其导入到HyperMesh软件。
(2)利用HyperMesh软件划分模型网格，定义材料属性，网格划分效果如 图8所示。对于海缆弯曲保护器的材料分为金属和聚氨酯两种，由于海洋环境 的特殊性，既需要保证海缆弯曲保护器具备足够的防腐蚀能力，又要保证材料 不会随着工作环境温度的变化而发生过大的变化。故本发明选择聚氨酯材料， 弹性模量为1400MPa，剪切模量为81000MPa，泊松比为0.3；
(3)选择LoadCollector创建三个载荷集，考虑到实际应用情况，使用一个 载荷集选择Analysis页constraints面板，对海缆弯曲保护器外罩段尾部端面施加 完全固定约束，限制海缆弯曲保护器模型的平动和转动。另外两个载荷集选择 Analysis页forces面板施加分布力载荷，由于海缆弯曲保护器的踵状段与外罩段 需装配在一起使用，在运行工况下处于锁合状态，各子结构之间的相互作用主 要为挤压力，故在海缆弯曲保护器踵状段端面与外罩段内孔端面各施加2KN的 挤压力；
(4)在Analysis页loadsteps面板创建两个载荷步，勾选SPC选择约束载荷 集，勾选LOAD选择其中一个挤压力载荷集定义为一个载荷步；勾选SPC选择 约束载荷集，勾选LOAD选择另一个挤压力载荷集定义为第二个载荷步；
(5)在Analysis页optimization面板，选择topology定义拓扑优化设计变量， 选择拓扑优化模型组件，将所有设计属性均包含在该设计空间；选择response 定义两个响应分别为质量分数massfrac及加权应变能weighted comp；
(6)在optimization面板中的dconstraints，定义质量分数下限为0.6，即优 化后模型的质量最低下限是原模型质量的0.6倍，定义目标函数为加权应变能最 小；
(7)选择OptiStruct进行迭代优化计算求解，迭代12步就可求解完成。选 择Hyperview查看并显示优化结果，海缆弯曲保护器装置结构优化结果及剖面 图如图9及图10所示。其中需要根据结果调整拓扑优化参数，分别调整 CHECKER为1和DISCRETE为2，让控制单元收敛到材料密度尽可能的趋向 于0或1，尽量避免棋盘格现象、
(8)选取三维模型的二维旋转面重新分析，进行二维的拓扑优化设计，过 程和三维模型分析过程相同，注意有限元网格单元需要选择平面单元，设置中 间区域为不可设计域，因为考虑加工和生产过程，缆弯曲保护器装置中间结构 不可能是镂空的。二维平面优化结果如图11所示，比较三维模型和二维模型拓 扑优化结果，发现去掉多余材料的部分几乎相同，证明该结果是合理可行的。
(9)根据拓扑优化的结果，利用MATLAB软件进行贝塞尔曲线(又称b样 条曲线)拟合使其结构外表趋于流线型，一般拟合曲线参数表述式如下式所示， 其中P0、P1、…、Pn为参考点。
本发明选取了15个关键点，采用的是十五次贝塞尔曲线，用来描绘曲线轮 廓。曲线的参数形式为：
B(t)＝P0(1-t)15+15P1(1-t)14t+105P2(1-t)13t2+…+P15t15, t∈[0,1]
设计流程图如图12所示，具体步骤为：将优化后的模型显示在图像上，选 择数据游标功能选取模型过渡处的关键点，记录下每一个关键点的坐标并生成 出一条贝塞尔拟合曲线，最后进行平滑线处理，让整个曲线看起来更加流线型， 保存最后输出结果曲线，关键点及拟合的曲线如图13所示。
(10)根据MATLAB软件所输出的曲线和模型，利用SolidWorks软件 模拟出相同的模型外轮廓曲线，修改内部尖角部分，保证平滑的过渡。同时 注意将曲线前半段移动到海缆弯曲保护器优化结果外罩段的内孔处，保证海 缆弯曲保护器的适配性，踵状段和外罩段可以准确连接，完成最后的形状和 尺寸优化。最后优化的模型图和剖分图如图14和15所示。
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，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。
Claims (3)
1.一种海缆弯曲保护器的拓扑优化设计方法，其特征在于包括：
建立海缆弯曲保护器的初始三维模型；
对海缆弯曲保护器的原始结构进行拓扑优化设计，将初始三维模型导入到HyperMesh软件OptiStruct模块中；
对初始三维模型进行网格划分并定义其材料属性；
对海缆弯曲保护器的三维模型进行拓扑优化设计：创建三个载荷集和两个工况、确定载荷集的载荷和约束、定义拓扑优化设计变量，选择拓扑优化模型组件将所有设计属性均包含在初始三维模型内，定义初始三维模型的质量分数下限值和目标函数为最小应变能，对海缆弯曲保护器的密度进行迭代优化并计算求解；
选取初始三维模型的二维旋转面重新分析从而进行二维拓扑优化设计，将二维拓扑优化设计结果与三维拓扑优化设计结果进行对比验证三维拓扑优化设计结果的准确性。
2.根据权利要求1所述的一种海缆弯曲保护器的拓扑优化设计方法，其特征还在于：提取海缆弯曲保护器三维模型的拓扑优化结果，利用MATLAB软件将优化后的三维模型显示在图像上，选择三维模型过渡处的关键点，将关键点的坐标输入MATLAB程序中拟合出贝塞尔曲线并进行平滑线处理从而输出结果曲线。
3.根据权利要求2所述的一种海缆弯曲保护器的拓扑优化设计方法，其特征还在于：其特征还在于：提取三维拓扑优化设计结果和贝塞尔曲线，采用SolidWorks软件模拟出相同的模型外轮廓曲线并修改内部尖角部分得出最后的海缆弯曲保护器三维模型。
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