海缆铠装结构锚固性能有限元分析
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摘要：
基于有限元显式算法，通过预紧、加载载荷作用次序，研究海缆铠装层的锚固结构在工作载荷和破断力下的承载能力，并对影响锚固性能的参数进行敏感性分析.数值仿真结果显示：在破断力作用下，法兰内壁与钢丝接触位置产生明显压痕，钢丝断裂位置发生在钢丝在锚固出口位置.增加锥形锚固的内锥角可降低钢丝轴向拉伸量，减缓法兰的不利应力.同时.在较低摩擦因数下具有较大内锥角的接头盒依旧具有良好的机械性能.所设计的内锥形锚固维修接头盒能满足施工过程中的最大拉伸载荷要求.
关键词：
动态海缆； 锚固性能； 铠装钢丝； 接头盒； 屈服应力； 回归周期； J管； 显式算法
中图分类号： TB115.1
文献标志码： B
Abstract：
Based on the finite element explicit algorithm， the bearing capability of armor layers of submarine cable under both normal working and breaking loads are studied using pretightening and loadapplying sequentially， and the sensitivity of the parameters affecting the anchorage performance is analyzed. The numerical simulation results show that the obvious grooves occur on the contact location between flange inner wall and armor wires under the breaking loads and the wires is broken just at the exit position of anchorage. By increasing the inner cone angle of the flanges， the axial pulling stretch of the wires can be reduced， as well as the relaxing of the harmful stress. Meanwhile， with lower friction factor， the repair joint box with larger inner cone angle performs good mechanical properties. The inner cone anchorage repair joint boxes are capable to withstand the maximum pulling loads during the working process.
Key words：
dynamic submarine cable； anchorage performance； armor wire； repair joint box； yield stress； return period； Jtube； explicit algorithm
0引言
海缆是岛屿电力输送和通信的最有效方式.随着人类在近海的活动日益频繁，海缆安全运行受到严重的威胁.在1 000 m以下的深海海域，海缆的破坏主要为自然原因，包括海底地震、滑坡和洋流磨损等.在200 m以上的浅海域，海缆主要受到人为破坏，包括船只抛锚和渔网拖拽等.[1]另外，在海缆铺设时若偶遇恶劣天气，海缆被迫砍断使施工船迅速驶离危险海域，也会造成断缆事故.[2]在海缆抢修时，需要采用维修接头盒设备对铠装层进行锚固，以传递海缆轴向拉力、保护缆芯.
在浅海区域，钻井平台通常为固定式，海缆由J形钢管从海床上牵引至平台顶部，并将铠装层进行锚固，海缆芯再与平台上的电器设备进行接续.这种该海缆通常为静态缆，锚固承受较小的静态拉伸载荷；当应用至深水和超深水时，平台结构为半潜式或张力腿式，作业用海缆采用动态结构，与平台连接位置需要增加弯曲加强件、保护管等动态防护设备并且锚固，其受到船体、波浪和洋流作用承受极为剧烈的疲劳载荷.[3]
铠装与锚固之间载荷的传递通常采用挤压摩擦夹持方式，结构分为锥形锚固和平板扣压式.为验证有效性，出厂试验不可避免.随着计算机技术的发展和模拟接触行为有限元法的提出，数值仿真技术可充分模拟金属结构之间的接触力学行为，为优化锚固设计提供依据.检索资料发现，PATIL等[4]利用有限元软件ANSYS模拟传动齿轮间的摩擦效应，指出摩擦因数由0增到0.3，会导致接触应力增加10%.VIJAYWARGIYA等[5]采用有限元法模拟二维弹塑性圆柱接触面相对滑移的能量损失，计算结果显示摩擦因数的增加会加速接触面的屈服破坏.MUIZ[6]采用非线性有限元法，基于弹塑性PrandtlReuss模型模拟矩形钢板冷轧成型过程，得到控制冷轧接触控制过程关键技术参数，降低冷轧调试时间，节约制作成本.KOMPERD[7]基于试验方法，验证动态海缆中沥青涂覆钢丝铠装在较高温度下，整根海缆具有更佳的拉弯承载能力.
本文依据某出口海缆维修项目，提取带维修接头盒海缆在正常施工和破断试验阶段的轴向拉伸载荷，研究海缆铠装层在锥形和平板扣压2种锚固方式下的机械性能.
1计算模型
由中天科技海缆有限公司生产的维修接头盒模型见图1，包括不锈钢材质的接头盒腔体、锚固及密封结构、橡胶材质弯曲加强件和穿插其中的双层铠装海缆.其中：弯曲加强件可缓解刚性接头盒两端海缆过渡弯曲；锚固结构通常采用锥形法兰夹紧钢丝，利用摩擦效应阻止钢丝滑脱，并将钢丝各向载荷传递至不锈钢接头盒筒体上.该维修接头盒密封性能可靠、安装简便，已有大量工程应用.
1.1锚固有限元模型
针对本项目维修接头盒中采用的锥形锚固结构，本文在成功利用有限元法分析相关机械性能的基础上，研究海上平台上常用的另一种平板扣压锚固结构，并进行对比.2种锚固结构的有限元模型见图2.
1.2理论基础
维修接头盒锚固在拉伸载荷作用下的机械性能模拟过程基于显式动力计算程序LSDYNA，采用准静态方法，在计算过程中，可将载荷描述成与时间相关的量.
计算单元类型采用8节点三维结构单元SOLID164，锥形锚固结构网格数为198 896个，平板扣压锚固结构网格数为265312个.铠装钢丝与法兰之间接触算法采用*AUTOMATIC_SURFACE_TO _SURFACE.[89]计算控制方程为
2施工过程载荷
采用专业海工计算软件OrcaFlex对带维修接头盒海缆在铺设过程中的动态响应进行数值仿真研究.OrcaFlex采用三维非线性时域有限元分析方法，可胜任柔性体由初始状态向大变形转化过程的模拟.其中：线、杆性体以集中质量单元替代，可极大降低受力单元的数学方程，并能快速有效地将环境载荷和约束条件施加到缆线上.
本项目中海缆故障海域水深为80 m，选择1 a回归周期下的海洋环境，海面有义波高1.87 m，波峰周期为4.1 s，距海床1 m有效高度处洋流速度为0.38 m/s.施工船前行速度和布缆速度都为0.4 m/s，设定波浪和洋流方向与船行一致，动态计算过程见图3（展示施工船在10，90和180 s这3个时刻船行位置和维修接头盒下降深度）.
3计算结果与分析
锚固校核过程分为2个阶段：（1） 采用液压油缸将锥形锚固中锥形法兰顶紧，压住铠装钢丝，产生足够压力（或使用预警螺栓拧紧图2b中的4层法兰，产生足够预紧力，夹紧各层铠装钢丝）；（2） 将自由端铠装钢丝终点所有节点自由度耦合，施加海缆工作拉力.整个过程中对最外层法兰环进行固定.
3.1工作载荷校核
将带维修接头盒的海缆在布放过程中锚固承受的最大拉力F=10.51 kN施加至内外层铠装钢丝上.2种锚固最大部件位移分别发生在最内层和最顶部法兰上.该位移主要是由夹紧过程中的液压油缸和螺栓施加的预紧力（为紧固海缆铠装钢丝）导致的.
锥形锚固中夹具和钢丝在拉伸过程中产生的应力分布见图5.其中夹具的最大应力发生在法兰边缘和与钢丝接触的位置，应力最大值为308.92 MPa，大于夹具材料的屈服强度，说明该处由于与钢丝接触，会发生凹槽.钢丝的最大应力同样发生在与夹具接触位置，应力最大值为847.02 MPa，钢丝会发生压缩变形.
扣板的最大应力为192.04 MPa，未屈服，发生在与钢丝接触位置.钢丝的最大应力发生在内层钢丝的弯折处，约为660.34 MPa，局部发生屈服变形而不可恢复；而外层钢丝弯折处的应力仅为210.30 MPa，说明2层钢丝在工作过程中受力分布不均匀.
3.2破断力校核
本项目中海缆设计破断力为270 kN，本节采用相同的锚固内锥预紧方式，将300 kN轴向拉力施加至2层铠装钢丝上.对自由端所有钢丝的节点进行约束，提取钢丝拉伸变形与载荷增量关系，见图7.随着拉伸载荷趋近破断力，钢丝进入屈服状态，锥形锚固结构发生较大的拉伸变形.而平板扣压锚固拉伸变形较为平缓.
在
破断力作用下，2种锚固结构的应力分布见图8和9.锥形锚固最外层法兰受到最大的拉应力，约为312.84 MPa，进入屈服状态，2层铠装钢丝在锚固出口位置产生应力集中，最大应力发生在内层钢丝，约为1 200 MPa.平板扣压锚固中，扣板最大应力发生
在与外层钢丝接触位置，最大值为242.69 MPa.2层
钢丝都在折弯下边缘产生应力集中，但是最大应力发生外层钢丝上，约为1 230 MPa.2种结构失效位置都发生在铠装钢丝应力集中处，即钢丝断裂.
3.3敏感性分析
增大维修接头盒内锥形法兰内锥角，结合常规内锥角设计，对比研究两者的机械性能.同时分析锚固中钢丝与夹具之间接触的摩擦因数对拉伸性能的影响.
2种不同锥角锚固在破断力270 kN拉伸载荷作用下组成单元的位移变化见图10.较大内锥角
中，最内层锥形法兰在相同工况下位移较大，然而该
随着摩擦因数降低，较大锥角的锚固表现较好的承载能力，而常规锥角的锚固出
现过早滑脱现象，因此承载力较小.平板扣压结构锚固同样具有较好的承载能力，当摩擦因数降至0.15时，其承载力出现快速下降现象.
4结论
基于某海缆维修项目，采用有限元方法研究锚固结构在工作载荷和破断力作用下的承载能力以及影响锚固机械性能的因素，得到以下结论.
（1） 锥形和平板扣压锚固设计都能满足最大工作载荷，由于锥形锚固在安装时被液压油缸预紧，钢丝和法兰接触表面产生较大应力，生成压痕.
（2） 在270 kN的破断力作用下，锥形和平板扣压锚固设计中钢丝屈服断裂都发生在锚固出口位置，且平板扣压结构中钢丝拉伸变形量较小，扣压平板法兰变形较小.
（3） 具有较大内锥角的锥形法兰具有较好的承载能力，且在较低的摩擦因数下依然表现出较高的承载力.
（4） 锥形锚固满足海缆快速抢修需求，平板扣压锚固适合平台轴向拉伸量较小的使用要求.无论哪种锚固设计，都应增加法兰与钢丝接触面的粗糙度，实现整体性能最优.
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