謝焜,金永平,李蘭香，彭佑多，張小平

(湖南科技大學 海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與安全技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室,湖南 湘潭 411201)

海洋是人類巨大的共同資源寶庫,蘊藏著豐富的金屬、油氣等多種礦產(chǎn)資源.隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展,資源需求與競爭將愈演愈烈,為此,世界各沿海國家和地區(qū)紛紛將國家資源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)向資源豐富的海洋,并從近海向深海擴展[1,2].深海海底鉆機是開展海底礦產(chǎn)資源勘探、海底工程地質(zhì)勘查和深海地質(zhì)及環(huán)境科學研究的關(guān)鍵技術(shù)裝備[3-7],深海海底鉆機用鎧裝臍帶纜則是連接深海海底鉆機與母船之間的紐帶,它不僅可以用來下放和回收深海海底鉆機,還可以為深海海底鉆機提供電力與信息傳輸(如圖1所示).由于海洋復雜環(huán)境載荷(風、隨機不規(guī)則波浪、洋流、海面流、海底流以及內(nèi)波等)的影響,母船將產(chǎn)生復雜的運動響應,此時,鎧裝臍帶纜將會受到較大的時變拉伸荷載的作用.因此,開展在拉伸荷載作用下,鎧裝臍帶纜有限元仿真分析尤為必要[8-11].而構(gòu)建鎧裝臍帶纜三維幾何模型、三維網(wǎng)格模型和有限元分析模型,是開展鎧裝臍帶纜有限元分析的基礎(chǔ).

圖1 深海海底鉆機工作原理圖

為此,本文以深海海底鉆機用鎧裝臍帶纜為研究對象,首先運用三維軟件Solidworks構(gòu)建鎧裝臍帶纜三維幾何模型,之后進行鎧裝臍帶纜三維網(wǎng)格模型以及有限元分析模型的構(gòu)建,并設(shè)定鎧裝臍帶纜的材料參數(shù)和接觸類型,最后利用有限元分析軟件ANSYS對鎧裝臍帶纜進行有限元仿真分析,為鎧裝臍帶纜的設(shè)計、可靠性分析等提供技術(shù)支撐.

1 鎧裝臍帶纜三維幾何模型構(gòu)建

1.1 鎧裝臍帶纜三維幾何模型

鎧裝臍帶纜主要是由外鎧層、中鎧層、內(nèi)鎧層、外層絕緣層、接地線單元、光纖單元、主電線單元、內(nèi)層絕緣層、主電線與內(nèi)層絕緣層之間的填充物、中心填充物、副電線單元及內(nèi)層絕緣層填充物組成,如圖2所示.鎧裝臍帶纜各構(gòu)件具體參數(shù)如表1所示,內(nèi)層絕緣層8中設(shè)有副電線單元11,副電線單元11是由4根副電線相互螺旋鉸合,4根副電線中間空隙設(shè)有中心填充物10,中心填充物10采用液體硅橡膠材料制成,中心填充物10位于副電線單元11相互空間螺旋鉸合細電線中心處.副電線單元11與內(nèi)層絕緣層8內(nèi)壁之間的間隙內(nèi)設(shè)有內(nèi)層絕緣層填充物12,內(nèi)層絕緣層填充物12采用液體硅橡膠材料制成.主電線單元7包繞在內(nèi)層絕緣層8外側(cè),主電線單元7與內(nèi)層絕緣層8外壁之間的間隙內(nèi)設(shè)有主電線與內(nèi)層絕緣層之間的填充物9,主電線單元7與內(nèi)層絕緣層之間的填充物9采用液體硅橡膠材料制成.所述的外層絕緣層4包在主電線單元7外側(cè),主電線單元7與外層絕緣層4內(nèi)壁之間的6個間隙內(nèi)設(shè)有接地線單元5和光纖單元6.所述光纖單元6由3根沿圓周方向均勻布置的光纖組成,每根光纖外表為螺旋狀不銹鋼管,螺旋狀不銹鋼管內(nèi)部填充有變性油膏,3根光纖中第1根光纖內(nèi)含1根纖芯,第2根光纖內(nèi)含2根纖芯,第3根光纖內(nèi)含6根纖芯.外層絕緣層4外側(cè)由內(nèi)而外依次包有38根內(nèi)層鎧裝鋼絲(內(nèi)鎧層3)、43根中層鎧裝鋼絲(中鎧層2)和36根外層鎧裝鋼絲(外鎧層1),鎧裝臍帶纜截面組成如圖3所示.

圖2 鎧裝臍帶纜三維幾何模型

1-外鎧層;2-中鎧層;3-內(nèi)鎧層;4-外層絕緣層;5-接地線單元;6-光纖單元;7-主電線單元;8-內(nèi)層絕緣層;9-主電線與內(nèi)層絕緣層之間的填充物;10-中心填充物;11-副電線單元;12-內(nèi)層絕緣層填充物

表1 鎧裝臍帶纜尺寸

1.2 鎧裝臍帶纜拉伸剛度理論分析理論

由于鎧裝臍帶纜具有非常復雜的結(jié)構(gòu),材料具有高度非線性,所以在鎧裝臍帶纜拉伸剛度理論分析之前,提出4點假設(shè):(1)鎧裝臍帶纜結(jié)構(gòu)緊密,在未受力時,鎧裝臍帶纜各構(gòu)件之間無間隙;(2)鎧裝臍帶纜內(nèi)部部件不相互發(fā)生摩擦;(3)鎧裝臍帶纜各部件均勻排列;(4)每一層的伸長量和扭轉(zhuǎn)角均一致[12-17].

當鎧裝臍帶纜受拉伸時,其受力單元主要是其3層鎧裝層,因此對其鎧裝層進行理論分析,對單根鎧裝鋼絲纏繞在纜芯上受拉進行分析,如圖4所示.

圖4 多根鎧裝鋼絲受力

當單根鎧裝鋼絲受拉時,鎧裝鋼絲則會發(fā)生應變,將該應變分為軸向應變和徑向應變,將分析分成以下2種情況:

1)僅考慮鎧裝臍帶纜軸向應變,設(shè)鎧裝臍帶纜軸向變形量為Δl,鎧裝鋼絲與纜芯軸向夾角為αi,由此鎧裝鋼絲方向變形量則為Δlcosαi.鎧裝臍帶纜變形前的長度l0=l/cosαi,由此鎧裝鋼絲軸向應變與鎧裝臍帶纜軸向應變關(guān)系為

(1)

2)僅考慮鎧裝臍帶纜徑向應變,設(shè)鎧裝臍帶纜徑向收縮量為-ΔR,鎧裝鋼絲與纜芯軸向夾角為αi,由此鎧裝鋼絲徑向收縮量則為-ΔRsinαi.鎧裝臍帶纜變形前的長度R0=R/sinαi,R為鎧裝鋼絲圍繞纜芯的半徑,由此鎧裝鋼絲軸向應變與鎧裝臍帶纜軸向應變關(guān)系為

(2)

鎧裝臍帶纜在拉伸時,會發(fā)生軸向變形,同時還會發(fā)生徑向收縮.式(1)和式(2)都是鎧裝鋼絲軸向應變,因此將兩式進行合并,得到單根鎧裝臍帶纜的軸向變形與整個鎧裝臍帶纜的變形關(guān)系為

(3)

鎧裝臍帶纜的拉伸行為則可以表示為

(4)

式中:E為鎧裝臍帶纜的彈性模量；A為鎧裝臍帶纜的橫截面積；m為鎧裝層數(shù);i為層序號.

2 鎧裝臍帶纜有限元分析

2.1 鎧裝臍帶纜三維網(wǎng)格模型

利用ANSYS Workbench軟件內(nèi)子程序Mesh進行自動網(wǎng)格的劃分,流程為先進行全局網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置,然后進行局部網(wǎng)格設(shè)置,之后預覽并劃分網(wǎng)格.

全局網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)置,先進行基本參數(shù)設(shè)置(Defaults),將Defaults區(qū)域內(nèi)Relevance參數(shù)調(diào)為100,該參數(shù)用于控制網(wǎng)格劃分總體質(zhì)量,其最大值為100,值越大,網(wǎng)格質(zhì)量越細致，其他基本參數(shù)采用默認值.進行網(wǎng)格尺寸設(shè)置(Sizing),將Sizing區(qū)域內(nèi)Relevance Center設(shè)置為Fine(細化),該鎧裝臍帶纜三維幾何模型長為0.1 m,考慮最小尺寸,將Element Size輸入0.000 5 m的尺寸,將Smoothing設(shè)置為High,其他網(wǎng)格尺寸設(shè)置默認，膨脹設(shè)置默認.網(wǎng)格高級參數(shù)的設(shè)置(Advanced),將Advanced區(qū)域內(nèi)Topogy Checking設(shè)置為yes,全局網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置完成.局部網(wǎng)格設(shè)置采取默認設(shè)置,鎧裝臍帶纜三維網(wǎng)格模型圖如圖5所示,鎧裝臍帶纜三維網(wǎng)格模型網(wǎng)格質(zhì)量如圖6所示,平均質(zhì)量達到0.78,可以使用.

圖5 鎧裝臍帶纜三維網(wǎng)格模型

圖6 鎧裝臍帶纜三維網(wǎng)格模型網(wǎng)格質(zhì)量

2.2 材料選擇與接觸設(shè)置

對所有的鎧裝層、光纖材料定義成結(jié)構(gòu)鋼;對外層絕緣層材料定義為熱塑性聚氨酯彈性體材料;內(nèi)層絕緣層材料定義為芳綸纖維;所有填充物材料定義為硅橡膠材料;主電線,副電線,接地線單元中心實心部分定義成銅材料,材料的參數(shù)如表2所示.采用ANSYS Workbench進行接觸定義,其鎧與鎧,鎧與絕緣層,絕緣層與光纖單元,光纖單元、主電線、副電線、接地線之間的相互接觸的面接觸類型都選擇Bonded,Bonded的接觸特點是法向沒有間隙,切向不產(chǎn)生滑移,考慮鎧纜是由多部件螺旋鉸合而成的,其相互接觸是沒有間隙,且表面摩擦比較大,不產(chǎn)生滑移,因此接觸類型選擇Bonded比較符合實際情況.接觸行為選擇Symmetric,對稱接觸的含義是在界面之間存在兩個接觸對,即一個面既為接觸面又為目標面,使用對稱接觸在接觸計算中有利于提高計算的收斂性,保證了有限元計算的穩(wěn)定性.該設(shè)置與實際情況更加吻合,分析結(jié)果穩(wěn)定.把所有的接觸面都定為目標面,如圖7所示.

圖7 鎧裝臍帶纜接觸類型

表2 材料的參數(shù)

2.3 施加約束與載荷

本文在對鎧裝臍帶纜進行有限元分析之前,先將鎧裝臍帶纜一端面的自由度完全約束,另一端面所有節(jié)點自由度進行耦合,并在這個耦合面上施加等效力;通過有限元分析提取相對應的應變,計算鎧裝臍帶纜的拉伸力,分析鎧裝臍帶纜內(nèi)部受力情況.

2.4 分析結(jié)果

由于深海海底鉆機水中重量為10 t,因此設(shè)置鎧裝臍帶纜受拉力F=100 000 N,利用ANSYS軟件進行分析,得到鎧裝臍帶纜應變、應力的變化情況.圖8～圖10分別為外鎧、中鎧、內(nèi)鎧、外層絕緣層以及鎧裝臍帶纜總體模型的應變、應力云圖.

由圖8～圖10可知,鎧裝層所受應力最大,且最大應力出現(xiàn)于鎧裝層的內(nèi)鎧,而鎧裝臍帶纜的外層絕緣層的應變最大.通過鎧裝臍帶纜拉伸剛度理論分析模型,計算得到鎧裝臍帶纜在承受100 000 N拉伸載荷作用下,鎧裝臍帶纜的鎧裝層鋼絲為主要承載部件,并且外層鎧裝層承受載荷最大.在所有鎧裝層中,內(nèi)層鎧裝層鎧與鎧相接觸的地方出現(xiàn)最大應變、應力(如圖8所示),這是由于內(nèi)層鎧裝層鎧與鎧之間排列緊密,當外層鎧裝層承受拉伸載荷時,外層鎧裝層發(fā)生細微的徑向變形,擠壓內(nèi)層鎧裝層所致.

圖8 100 000 N拉力作用下外、中、內(nèi)鎧分析應變、應力云圖

圖9 100 000 N自動劃分的網(wǎng)格外層絕緣層分析應變、應力云圖

圖10 100 000 N拉力作用下鎧裝臍帶纜應變、應力云圖

同時可知,外層絕緣層所受應變最大,其原因是當鎧裝層鋼絲承受拉伸載荷時將發(fā)生一定的彈性形變,導致外層絕緣層與鎧裝層發(fā)生摩擦,進而引起鎧裝層細微的徑向變形而擠壓外層絕緣層,加之外層絕緣層彈性模量較小,因此外層絕緣層產(chǎn)生了較大的應變.

3 結(jié)論

1)在外部載荷作用下,鎧裝臍帶纜主要承受部件為鎧裝層,其中外層鎧裝層承受載荷最大.

2)在外部載荷作用下,在鎧裝層中,內(nèi)層鎧裝層鎧與鎧相接觸的地方出現(xiàn)最大應力、應變.

3)在外部載荷作用下,外層絕緣層所受應變最大;而鎧裝臍帶纜纜芯應力、應變是最小的.