Page 23 - 网络电信2016第14期

光通信

光纤复合海底电缆扭转的有限元建模

林晓波 卢志飞 甘纯 李剑波 吕安强 柳小花

海底电缆在装载、运输、敷设和
运行过程中，受外界多种因素的影响
时常会发生扭转，利用建模仿真的方
法不仅可以克服实体试验操作困难的
难题，还可获得实体试验难以提取的
数据。

引言 图1 光纤复合海缆截面图

随着我国海洋事业的不断发展，海底电缆（简称海缆） 确性有着重要影响。考虑以上两点，应在保证力学结构真实性
的需求日益增加。但海缆在装载、运输、敷设和运行中，受卷 的提前下，简化海缆扭转的有限元模型。在海缆结构中，黄铜
绕、拉伸及洋流等外界因素影响会发生扭转，若扭转角度超过 带、绳被层和外被层相对于其他层来说较薄，且在海缆发生扭
海缆所能承受的范围，将对海缆的正常运行造成威胁。由于海 转的过程中发挥的保护作用基本可以忽略，因此在海缆的有限
缆结构复杂、造价高，实体试验条件要求苛刻，操作困难且难 元建模时可将其去除，其他各层机械性能相近的结构可以进行
以获取海缆各层数据，因此本文采用有限元建模仿真方法对海 合并，最终海缆结构简化为铜导体、XLPE绝缘、铅合金护套、
缆的扭转特性进行相应研究。 HDPE（高密度聚乙烯塑料）护套、光单元、PET和钢丝铠装。简
化前后海缆的各层尺寸如表1所示。
目前已有学者利用有限元法对海底光缆进行了研究。1996
年，Nishimoto T等人对一个岛上的高压电缆施加抛锚和人为 表1 简化前后海缆的几何尺寸参数
的机械破坏，通过分布式光纤温度应变传感器检测高压电缆的
工作状态；2009年，李兢利用有限元法对海底光缆的抗侧压、 结构 厚度／cm 计算外径／cm
抗钩挂模型进行了参数化建模，并对海底光缆实体抗侧压模型
进行了深入研究；2010年，林开泉等人建立了海底光缆的有限 铜导体 简化前 简化后 简化前 简化后
元模型，进行了船锚钩挂海底光缆的仿真，通过分析海底光缆 导体屏蔽
受到船锚钩挂后的应变，研究海底光缆各部分抗船锚钩挂的能 1.04 1.04 2.08 2.08
力。以上研究均是针对海底光缆，而海缆结构比海底光缆更复 XLPE
杂，且目前对海缆的研究主要集中在钩挂和拉伸，鲜见对海缆 绝缘屏蔽 0.10 - 2.28 -
的扭转特性进行研究。 阻水带
铅合金护套 1.85 2.05 5.98 6.18
本文建立了110kV XLPE（交联聚乙烯）光纤复合海缆扭转 沥青防腐层
力学的有限元模型，通过对模型施加约束和角速度载荷仿真海 HDPE护套 0.10 - 6.18 -
缆发生扭转的过程，获得光单元和铜导体的应力、应变数据， 光单元、PET
为利用光纤传感技术判断海缆的工作状态提供了理论参考。 钢丝铠装层 0.10 - 6.43 -
外被层
海缆扭转问题的有限元建模 0.400 0.525 7.230 7.230

1.海缆的结构简化与模型的建立 0.025 - 7.260 -
本文采用YJQ41型12层单芯XLPE光纤复合海缆，其截面图如
图１所示。其中光单元和PET（聚乙烯）填充条组成绞合层一， 0.480 0.495 8.220 8.220
节距为86cm，钢丝铠装组成绞合层二，节距为140ｃｍ，二者的
绞合方向相反，其他部分组成非绞合层。 0.60 0.60 9.78 8.92
由于海缆结构复杂，在有限元建模之前有必要对海缆结构
进行适当简化，以减少计算时间，但海缆的真实建模对仿真正 0.60 0.60 10.98 9.62

0.40 - 11.47 -

光单元层和钢丝铠装层为绞合层，几何结构较为复杂且不
规则，建模困难，因此本文采用扫略螺旋线生成体的方法，依

34 网络电信 二零一六年八月