Page 34 - 网络电信2017年5月刊上

特别关注

个节点组成,每个节点可以施加3个自由度。SOLID164支持单点 各点的相对位置不变,是一种理想模型。因此,钢体的长度对拉
积分,计算时间仅为全积分的1/7。 伸过程没有影响,只是保证海缆各层结构无层间位移。故本文选
择适中的网格尺寸作为钢体的轴向长度,即1cm,它的结构与海缆
材料模型的选择需要结合海缆各层结构的机械特性,铜导 的结构完全相同,再通过粘连方法将钢体和海缆端面相连,将载
体、XLPE绝缘、铅合金护套、HDPE护套、光单元、PE填充条和 荷施加在钢体上,通过钢体将载荷传递到海缆端面,有效克服了
钢丝铠装均属于弹塑性材料,故本文选择双线性随动强化(BKIN) 层间位移。
材料,它用弹性斜率和塑性斜率来表示材料的应力应变特性。海
缆的力学参数可以在ANSYS中用MP命令输入弹性模量(EX)、密度 本文对钢体的约束是AllRotation(0转动)和XY Disp(限制X
(DENS)和泊松比(NUXY);用TB、BKIN 和TBDATA命令中的1~2项输 和Y方向的位移),即只有Z方向的位移。对于海缆右端的约束是
入屈服强度和切线模量。 ALLDOF(全方位约束),即固定海缆右端端面;将拉力载荷施加在
左端面上。
本文模型的网格划分均针对体划分,体划分操作包括:自由
划分、映射划分和扫掠划分。使用自由网格划分时,程序会自动 由于施加载荷大且变化快时会导致一定程度的穿透,所以本
生成模型的网格,但是这种网格特别密集,大大增加了计算成本, 文使用了单面接触;又因为拉伸过程中各结构接触的方向难以准
故本文使用后两种划分方式,通过控制体端面上的线和轴线尺寸 确判定,所以使用了自动接触。
来控制网格数量,在保证准确性的同时兼顾经济性,最终网格划
分好的模型如图2所示。 三、有限元仿真结果与分析

图2 海缆有限元模型网格划分 1.仿真结果评价
求解海缆有限元模型,得到拉力载荷作用下各节点Z方向的
位移图,如图3所示。由图可见,海缆右端位移为0,左端位移随时
间增加而增大,符合本文施加力载荷后的变化趋势。

图3 海缆拉伸位移图

3.载荷施加、约束与接触控制 另外,沙漏能是衡量仿真正确性的重要指标,准确的仿真应
根据国际大电网会议海缆机械试验建议的要求,在敷设过 保证沙漏能不超过内能的10%[7]。本文中的沙漏能控制在内能4%
程中,海缆拉力应控制在20kN以内。但实际施工时受海水深度、 以内,保证了实验的准确性。内能-沙漏能时间曲线如图4所示。
突发海浪和洋流或船舶制动的影响,海缆可能会受到突发大拉
力载荷。根据现场经验并结合文献[2]中拉伸试验时施加拉力
载荷的方法,本文定义拉力载荷数组为F=[0,20,20,500,500],
其中,20kN是海缆正常工作允许的张力,500kN是近海敷设施
工时海缆可能受到的最大突发张力;再定义时间载荷数组为
T=[0,3,6,9,15],函数表达式为

（1） 图4 内能-沙漏能时间曲线图

式中,F为拉力(单位:kN);T为时间(单位:s)。由上式可知, 2.仿真数据分析
在0~3s内,拉力F以203kN/s的速度增长,模拟敷设开始阶段的拉
力增加；在3~6s内,拉力F保持20kN/s不变,模拟敷设过程中的正
常受力；在6~9s内,拉力F突然以160kN/s的速度快速增长,模拟
突发拉力；在9~15s内,拉力F保持500kN/s不变,模拟突发大拉力
的持续加载。

力载荷需要分配到海缆各层,而各层材料的力学特性差别较
大,如果直接施加,会导致各部分位移不相同,所以本文在海缆的
左端面加钢体。钢体在受力拉伸过程中形状和大小不变,且内部

48 网络电信 二零一七年五月